Die Plattentektonik der Erde geht auf einen Wendepunkt vor 3,2 Milliarden Jahren zurück. Die Erdoberfläche verändert sich heute ständig: tektonische Platten verschieben sich, bilden Gebirgszüge, reißen den Meeresboden auf und verursachen massive Erdbeben. Der Geophysiker Dave Stegman vom Scripps Institution of Oceanography in La Jolla und seine Kollegen nutzten Beobachtungsdaten und Computermodelle, um eine neue Formel zu entwickeln, die die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Erdplatten von der Größe und den Rändern von Subduktionszonen erklärt. Vor etwa 200 Millionen Jahren zerbrach der Kontinent Pangäa in zwei riesige Teile: den Superkontinent Laurasia im Norden und Gondwana im Süden.
Eine neue Studie beschreibt, wie sich die Erdoberfläche bewegt, und die Erkenntnisse könnten möglicherweise herkömmliche Vorstellungen zur Plattentektonik auf den Kopf stellen.
Diese neue Theorie, sofern sie zutrifft, erklärt ein seit langem bestehendes Rätsel darüber, wie sich die Erdkruste im Laufe der Zeit bewegt und kollidiert, was Vulkane und Erdbeben verursacht und die Erdoberfläche verändert. Die Idee könnte auch erklären, warum sich einige der Gesteinsplatten, aus denen die Erdoberfläche besteht, schneller bewegen als andere.
Wissenschaftler gehen seit langem davon aus, dass ein langsames Austreten heißen, geschmolzenen Gesteins unter der Erdoberfläche, im sogenannten Erdmantel, die riesigen Gesteinsplatten, aus denen die Erdkruste besteht, in Bewegung versetzt. Steigt der zähflüssige Mantel auf, zieht er die Platten mit sich, drückt sie an manchen Stellen zusammen, reißt sie an anderen auseinander.
Wissenschaftler konnten jedoch nicht erklären, warum sich einige Teile der Erdkruste viel schneller bewegen als andere.
Die Subduktion der Farallon-Platte unter den nordamerikanischen Kontinent über 30 Millionen Jahre schuf die geologische Struktur der Basin and Range Province, ein Gebiet im Westen der USA, das einen Großteil Nevadas umfasst und hier in einem topografischen Modell dargestellt ist. Mike Sandiford/Universität Melbourne
Eine neue Studie legt nahe, dass diese tektonischen Platten ihre eigene Geschwindigkeit stärker kontrollieren als der Erdmantel. Die Ergebnisse, die in der Ausgabe der Fachzeitschrift Science vom 16. Juli 2022 veröffentlicht wurden, liefern eine neue Erklärung dafür, warum manche Platten relativ gesehen schnell und andere langsam sind. Dies wird Wissenschaftlern helfen, die Entwicklung der Erdoberfläche zu ihrer heutigen Form zu rekonstruieren.
„Die Erdoberfläche ist von tektonischen Platten bedeckt, die sich mit einer Geschwindigkeit von einigen Zentimetern pro Jahr relativ zueinander bewegen“, sagte der Geologe und Co-Autor der Studie Wouter Schelaert von der Monash University in Melbourne, Australien. „Diese Platten treffen an Tiefseegräben, Plattengrenzen, aufeinander, wo eine Platte in sogenannten Subduktionszonen unter eine andere abtaucht. Die Geschwindigkeiten dieser Platten und die Geschwindigkeiten ihrer Grenzen variieren weltweit stark.“
Der Geophysiker und Co-Autor Dave Stegman vom Scripps Institution of Oceanography in La Jolla, Kalifornien, Schellart und ihre Kollegen verwendeten Beobachtungsdaten und Computermodelle, um eine neue Formel zu entwickeln, die beschreibt, wie die Plattengeschwindigkeiten der Erde von der Größe und den Rändern der Subduktionszonen abhängen.
„Computermodelle zeigen, dass der subduzierte Teil der tektonischen Platte an dem Teil der Platte zieht, der an der Erdoberfläche verbleibt“, sagte Stegman. „Dieser Zug führt entweder zu einer Plattenbewegung oder einer Plattengrenzbewegung, wobei die Größe der Subduktionszone das jeweilige Ausmaß bestimmt.“
Die Entdeckung erklärt, warum sich die Australische Platte, die Nazca-Platte und die Pazifische Platte viermal schneller bewegen als die kleineren Afrikanischen, Eurasischen und Juan-de-Fuca-Platten.
Die Studie trägt auch dazu bei, zu erklären, warum der Westen Nordamerikas heute so aussieht, wie er aussieht. Etwa zu der Zeit, als der Superkontinent Pangaea auseinanderzubrechen begann, sank eine tektonische Platte namens Farallon-Platte in den Erdmantel unter der Westküste Nord- und Südamerikas und veränderte langsam die Landschaft.
Superkontinent Pangaea
„Die Geschwindigkeit dieser Platte auf ihrem Weg nach Osten hat sich von etwa 10 Zentimetern pro Jahr vor etwa 50 Millionen Jahren auf nur noch 2 Zentimeter pro Jahr heute verlangsamt“, sagte Schellart.
Die Bewegung der Platte verlangsamte sich, als die Subduktionszone, in die sie einsank, von 14.000 Kilometern Breite auf nur noch 1.400 Kilometer schrumpfte.
„Dies hatte dramatische Auswirkungen auf die Topographie und Struktur des nordamerikanischen Kontinents“, sagte Schellart. „Bis vor 50 Millionen Jahren war die Westküste Nordamerikas von einer massiven Gebirgskette geprägt, ähnlich den heutigen Anden in Südamerika, die sich von Kanada im Norden bis nach Südmexiko im Süden erstreckte.“
Als die Subduktionszone schrumpfte, verringerte sich die Spannung entlang der Westküste Nordamerikas, was zum Einsturz der riesigen Gebirgskette führte. Dadurch entstand die Basin and Range Province, eine zwei Millionen Quadratkilometer große Region langgestreckter Becken und Gebirgszüge, die die heutige Landschaft im Westen Nordamerikas prägt.
Die Plattentektonik der Erde lässt sich bis zu einem Wendepunkt vor 3,2 Milliarden Jahren zurückverfolgen. Forscher, die uralte Sedimente in Australien analysierten, fanden Hinweise darauf, dass sich die Erdschichten etwa 1,3 Milliarden Jahre nach der Entstehung des Planeten zu vermischen begannen – ein Zeichen für Plattentektonik.
Eine neue Studie ergänzt nun die wachsenden Belege dafür, dass diese Dynamik vor 3,2 Milliarden Jahren begann. Während in der Geowissenschaft Uneinigkeit darüber herrscht, wann genau die Erde mehr als nur ein Klumpen heißen, undifferenzierten Gesteins wurde, legt die neue Studie nahe, dass der Übergang etwa 1,3 Milliarden Jahre nach der Entstehung des Planeten stattfand.
Im Jahr 2020 berichteten Zheng Xiang Li, ein Geodynamiker an der Curtin University in Australien, und seine Kollegen über eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung von Gesteinen, die sich vor etwa 3,2 Milliarden Jahren im Erdmantel bildeten. Dies deutete auf einen „Mischungsprozess“ hin. Dieser Prozess hätte die Bewegung von Mineralien aus der Erdkruste in den Mantel und die Bewegung von Mantelgestein an die Oberfläche beinhaltet – Spuren der Plattentektonik. Auch andere Forscher fanden Hinweise auf eine Veränderung im selben Zeitraum; so fand beispielsweise eine Studie aus dem Jahr 2020 in der Zeitschrift Science Advances magnetische Hinweise auf großräumige Plattenbewegungen vor 3,2 Milliarden Jahren.
Es wird jedoch weiterhin darüber diskutiert, wann und wie diese Prozesse begannen. In der neuen Studie konzentrierten sich Lee und Luc Doucet, Geochemiker an der Curtin University, und ihre Kollegen auf große Blei- und Zinkvorkommen in Australien. Die Wissenschaftler nutzten die Verhältnisse der molekularen Variationen von Uran, Thorium und Blei als Uhr, um Ereignisse zu messen, die sich tief in der Erdgeschichte ereigneten.
Spuren der Plattentektonik der Erde in 3,2 Milliarden Jahre alten Sedimenten gefunden. visdia/Getty Images
Der Co-Autor der Studie, Denis Fougerouse von der Curtin University, sagte in einer Erklärung, dass das Alter der Sedimente in Australien zwischen 3,4 Milliarden und 285 Millionen Jahren liege.
Die neue Analyse deutete erneut auf 3,2 Milliarden Jahre als Wendepunkt hin, sagte Li. Zuvor hatte sich die Erde in die „Schichtkuchen“-Struktur aus Kern, Mantel und Kruste entwickelt, die wir heute sehen. Diese Schichtung wurde durch die Schwerkraft angetrieben, wobei schwerere Elemente in den Kern sanken und leichtere Elemente in die Kruste aufstiegen, sagte Li.
Doch vor 3,2 Milliarden Jahren begannen sich diese Schichten zu vermischen: Die Plattentektonik drückte Schichten der Erdkruste zurück in den Mantel und Kräfte wie Vulkanismus brachten Elemente des Mantels an die Oberfläche.
Die Forscher stellten außerdem fest, dass der Beginn dieses Prozesses komplex und nicht unbedingt weltweit einheitlich war. Die neuen Erkenntnisse, die in der August-Ausgabe der Zeitschrift Earth-Science Reviews veröffentlicht wurden, legen nahe, dass Forscher das Uran-Thorium-Blei-Datierungssystem neu kalibrieren müssen, um diese Nuancen zu erfassen.
„Wenn wir hier nicht vorsichtig sind, könnten unsere Altersschätzungen um Dutzende oder Hunderte Millionen Jahre fehlerhaft sein“, sagte Li.
Die Forscher nutzen nun Computermodelle, um zu verstehen, wie die Plattentektonik vor 3,2 Milliarden Jahren wahrscheinlich begann. Die Abkühlung des Planeten von einem Magmaozean zu einem gemäßigteren und festeren Gestein könnte dabei eine wichtige Rolle gespielt haben. „Unser ultimatives Ziel ist es, zu dokumentieren, wie sich die gesamte Erde von der frühen roten Kugel über die Plattentektonik zu der grünen Kugel entwickelt hat, die wir heute haben“, sagte Li.
Das Schmelzen der Gletscher vor 10.000 Jahren beschleunigte die Kontinentaldrift und die vulkanische Aktivität, ein Prozess, der sich mit dem Abschmelzen der heutigen Eisschilde wiederholen könnte. Vor etwa 10.000 Jahren, als die letzte Eiszeit endete, könnten sich die Bewegung des nordamerikanischen Kontinents und die Ausweitung des Atlantischen Ozeans vorübergehend beschleunigt haben. Schmelzende Gletscher könnten dabei eine Schlüsselrolle gespielt haben, so eine neue Studie von Forschern der University of Colorado Boulder. Für die Studie verwendeten die Geophysiker Computermodelle, um die Bedingungen auf der Erde bis vor 26.000 Jahren zu simulieren. In dieser Zeitspanne begann der gewaltige Eisschild, der weite Teile Nordamerikas bis hinunter in den Süden des heutigen Pennsylvania bedeckte, zurückzuweichen. Als das Eis schmolz, gelangten enorme Wassermengen in die Ozeane, wodurch der Meeresspiegel um etwa einen Zentimeter pro Jahr anstieg.
scitechdaily.com/Tao Yuan und Shijie Zhong
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass dieses globale Schmelzen auch unerwartete Folgen gehabt haben könnte, unter anderem für die Plattentektonik, also das innere Uhrwerk, das die Kontinente der Erde seit Milliarden von Jahren auseinanderreißt und wieder zusammenpresst.
Das Team schätzt, dass sich die Bewegung der nordamerikanischen Kontinentalplatte mit dem Schmelzen des Eises um 25 Prozent beschleunigt haben könnte. Zwischen 12.000 und 6.000 Jahren vor heute könnte sich die Fläche des Mittelatlantischen Rückens zwischen der nordamerikanischen und der eurasischen Platte sogar um bis zu 40 Prozent vergrößert haben.
Heute schmilzt das Eis über Grönland nicht schnell genug, um die Kontinentalverschiebung weltweit maßgeblich zu beeinflussen. Dennoch könnte es in den nächsten Jahrhunderten erhebliche Auswirkungen auf Island haben, insbesondere wenn die Gletscher schneller schwinden.
Die Antarktis, der fünftgrößte Kontinent, war nicht immer so isoliert; sie war einst Teil eines größeren Superkontinents. Wann wurde sie zu einem eigenen Kontinent?
Heute ist die Antarktis mit einer Fläche von über 14 Millionen Quadratkilometern das größte Eisgebiet der Erde. Verborgen unter dem Eis offenbaren die Felsen der Antarktis die bewegte Geschichte des Kontinents.
Viele der in der Antarktis zutage tretenden Gesteine sind Teil des Transantarktischen Gebirges, das Höhen von etwa 4.500 Metern erreicht und damit höher ist als die Rocky Mountains in Nordamerika. Der riesige Kontinent ist in zwei Hälften geteilt: Ost und West. Soweit Geologen es rekonstruieren können, ist Ostantarktika ein Kraton, ein uralter kontinentaler Block der Erdkruste und des obersten Erdmantels aus magmatischem, sedimentärem und metamorphem Gestein, von dem einige über drei Milliarden Jahre alt sind, sagte Ives. Im Gegensatz dazu ist Westantarktika relativ jung und besteht größtenteils aus Vulkangestein, das im tektonisch aktiven Pazifischen Feuerring geformt wurde, etwa zu der Zeit, als der Superkontinent Gondwana während der Jurazeit (vor 201,3 bis 145 Millionen Jahren) auseinanderzubrechen begann. Dies geht aus den neuesten Erkenntnissen von Live Science hervor.
Gondwana hat uralte Wurzeln: Es entstand vor etwa 600 Millionen Jahren im späten Ediacarium, bevor Pangäa existierte. Vor etwa 200 Millionen Jahren zerbrach Pangäa in zwei riesige Teile: den Superkontinent Laurasia im Norden und Gondwana im Süden. Vor etwa 180 Millionen Jahren begann Gondwana, das Teile der heutigen Antarktis, Afrikas, Australiens, Indiens und Südamerikas umfasste, in die Kontinentalfragmente zu zerfallen, die wir heute besser kennen. Basaltgesteine, die am östlichen Rand der Antarktis gefunden wurden, stimmen mit denen in Südafrika überein und repräsentieren frühe Risse in Gondwana, so Discover Antarctica.
Entdecken Sie die Antarktis
Wie eine Modellstudie aus dem Jahr 2006 ergab, war die Antarktis im Mesozoikum (vor 252 bis 66 Millionen Jahren) wärmer als heute. In der Kreidezeit (vor 145 bis 66 Millionen Jahren) war sie ein gemäßigter Regenwald voller Dinosaurier und anderer urzeitlicher Lebensformen. Tatsächlich diente sie als wichtige südliche Passage; über Dutzende von Millionen Jahren blieben Südamerika, die Antarktis und Australien miteinander verbunden, sodass sich Flora und Fauna über ihre weiten Gebiete bewegen konnten. Fossilienfunde belegen beispielsweise, dass Beuteltiere, die vor mindestens 125 Millionen Jahren in Nordamerika lebten, nach Süden nach Südamerika und nach Osten über die Antarktis wanderten, bevor sie schließlich vor mindestens 55 Millionen Jahren in Australien ankamen.
Wissenschaftler sind sich nicht sicher, wann die Antarktis offiziell isoliert wurde und ihre Landverbindungen zu Australien und Südamerika verlor. Neuere Forschungen deuten jedoch darauf hin, dass sich die Drakestraße zwischen der Antarktis und Südamerika und das Tasman-Tor zwischen der Antarktis und Australien genau zu dem Zeitpunkt öffneten, als das Eozän in das Oligozän überging, also vor etwa 34 Millionen Jahren, „innerhalb weniger Millionen Jahre“, sagte Lamanna.
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Nach dem endgültigen Bruch wanderte Australien nach Norden, während die Antarktis nach Süden driftete. Als sich die Drakestraße und das Tasmanische Tor zwischen den Kontinenten öffneten, ermöglichten sie es kaltem Wasser, kontinuierlich um die Antarktis zu fließen und den Kontinent von warmen Meeresströmungen zu isolieren. Am unteren Ende des Planeten begann die Antarktis zu gefrieren.
Die Öffnung der Drakestraße und des Tasmanischen Tors ermöglichte die vollständige Ausbildung des Antarktischen Zirkumpolarstroms. Dies waren die letzten „Ereignisse“ im Zerfall Gondwanas.
Heute spielt die Antarktis eine zentrale Rolle im Klimasystem der Erde. Die massiven Eisschilde, die den Kontinent bedecken, reflektieren das einfallende Sonnenlicht und halten ihn kühl. Mit der Erwärmung des Planeten durch den Klimawandel schmelzen die Eisschilde und legen so mehr Gestein für Untersuchungen frei. Gleichzeitig reflektieren sie aber auch weniger Sonnenlicht und tragen so zur anhaltenden globalen Erwärmung bei.
Eisdecken an Land erstrecken sich auch in angrenzende Gewässer wie den Südlichen Ozean, das Weddellmeer und das Rossmeer und bilden Schelfeis, das von Zeit zu Zeit bricht. Wenn mehr Eis freigesetzt wird, schmilzt es und führt den Ozeanen der Erde enorme Mengen Süßwasser zu. Wissenschaftler untersuchen derzeit aktiv das Eis in der Antarktis und die Sedimente in angrenzenden Meeren und Ozeanen, um vergangene Klimaschwankungen zu verstehen und zu erklären, wie sich der Klimawandel auf den gesamten Planeten auswirken könnte.
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