Die Erde ist der einzige Planet im Sonnensystem, der Plattentektonik aufweist. Ihre Oberfläche befindet sich im kontinuierlichen Wandel. Tektonische Platten mitsamt den Kontinenten verschieben sich ständig, kollidieren miteinander oder tauchen in den Erdmantel ab. Bis heute ist es jedoch ungeklärt, wie die Plattenbewegungen begannen und wie die Tektonik der Erde vorher aussah. Ein internationales Forscherteam mit Modellierungsexperten, darunter auch Prof. Dr. Stephan Sobolev, Professor für Geodynamik an der Universität Potsdam und Leiter der Sektion für geodynamische Modellierung am Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ, schlägt in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature eine Lösung vor.
Basierend auf innovativer und hochauflösender numerischer Modellierung und geologischen Beobachtungen zeigen die Wissenschaftler, dass eine aus dem tiefen Erdmantel aufgestiegene, mächtige und heiße Gesteinsblase die Lithosphäre der frühen Erde aufbrach. Dieser sogenannte Mantelplume setzte damit das erste Abtauchen der Lithosphärenplatte (Subduktion) in Gang.
Die äußere harte Schale der Erde, also die Erdkruste und der obere Erdmantel, bildet die Lithosphäre. Unsere heutige Erde unterteilt sich an ihrer Oberfläche in mehrere Lithosphärenplatten, die aneinander reiben oder miteinander kollidieren. An den Plattengrenzen sinken einige der Platten, wenn sie ausreichend kalt und schwer sind, in den tiefen Erdmantel. Dieser Prozess ist ein Schlüsselprozess der Plattentektonik. Er ermöglicht das Zurückkehren von den Gesteinen der Erdkruste in den tiefen Erdmantel und ist außerdem für die effiziente Kühlung des Erdinneren verantwortlich.
Subduktion und Plattentektonik gab es jedoch nicht immer auf der Erde. Warum sie dennoch vermutlich nach den ersten ein bis zwei Milliarden Jahren begann, erklärt Prof. Dr. Stephan Sobolev so: „Der Mantelplume muss zum einen groß und sehr heiß gewesen sein, um viel Gesteinsschmelze zu erzeugen. Diese Schmelzen drangen in die Lithosphäre ein und weichten diese auf, sodass der Plume sich bis zur Erdkruste an der Oberfläche durchschweißen konnte. Zudem muss die umgebende Lithosphäre kalt und schwer genug gewesen sein, um in den Mantel zu sinken.“ Das nötige Gewicht habe die Lithosphäre durch den Gesteinsauswurf des Plume selbst erhalten, der sich auf die umgebende Lithosphäre legte. Bei ausreichend akkumuliertem Gewicht beginne die Lithosphäre, rund um den Plume abzusinken und ziehe weitere Teile von sich mit. „Schließlich muss es zudem flüssiges Wasser an der Erdoberfläche gegeben haben, quasi als Schmiermittel, um das Absinken der Lithosphäre zu erleichtern“, ergänzt Stephan Sobolev. „Dieses Abtauchen kann bis in den tiefen Erdmantel reichen.“
Wahrscheinlich, so Stephan Sobolev, war es nicht ein einzelner Mantelplume, der den Prozess der Plattentektonik in Gang setzte, sondern das Zusammenwirken vieler solcher aufsteigender heißer Mantelströmungen. Das brodelnde Innenleben des Planeten Erde führte dazu, dass sich einige dieser plattentektonischen Fenster vereinigten und der Vorgang sich zur globalen Plattentektonik entwickelte.
Die neuen Erkenntnisse im Nature-Artikel basieren unter anderem auf Forschungen Stephan Sobolevs, bei denen er numerische geodynamische Modelle benutzt, um das Aufsteigen von Mantelplumes, ihre Interaktion mit der Lithosphäre und die Entwicklung von Subduktionszonen zu studieren.
Die Publikation in Nature verdeutlicht erneut, dass numerische geodynamische Modelle ein immer wichtigeres Werkzeug werden – sowohl für die Integration verschiedener Arten von Geo-Beobachtungen als auch für ein umfassendes Verständnis der wichtigsten geologischen Prozesse.
Allerdings bleiben noch viele Fragen zum Anfang der Plattentektonik auf der Erde offen. Sie müssen durch weitere Forschung beantwortet werden. Ziel ist etwa ein quantitatives Verständnis davon, wie stark die Lithosphäre durch Mantelplume-induzierte Schmelzen geschwächt wird und wie genau sich verschiedene „plattentektonische Fenster“ vereinigten und die globale Plattentektonik so beginnen konnte, wie wir sie heute auf der Erde sehen.
T.V. Gerya , R.J. Stern, M. Baes, S.V. Sobolev and S.A. Whattam, Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation, Nature, 12.11.2015, DOI: 10.1038/nature15752
Kontakt:
Universität Potsdam
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Professur für Geodynamik
E-Mail: stephan.sobolevugfz-potsdampde
Text: Stephan Sobolev / GFZ
Online gestellt: Agnes Bressa
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