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Erdaufbau und Plattentektonik

Der Aufbau der Erde

Schalenaufbau der Erde
Schalenaufbau der Erde

Die Erde hat einen Durchmesser von rund 12.750km. Über den inneren Aufbau der Erde ist bis heute nur wenig bekannt. Viele Erkenntnisse wurden durch die Erdbebenforschung gewonnen. Erdbeben verursachen Schwingungen, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit um die Erde laufen und durch Seismographen registriert werden. Etwa 20-70km unter den Kontinenten und 5-10km unter den Meeresböden erhöht sich die Geschwindigkeit der Erdbebenwellen plötzlich von 6km pro Sekunde auf 8km pro Sekunde. Die Grenzfläche wird als Mohorovicic-Diskontinuität bezeichnet und markiert die Grenze zwischen der festen Erdkruste und dem darunterliegenden Erdmantel. Die Wellengeschwindigkeit erhöht sich dann bis in eine Tiefe von 2.900km auf 13km pro Sekunde und sinkt dann plötzlich wieder auf 8km pro Sekunde ab. Diese Geschwindigkeitsänderung markiert den Wechsel vom Erdmantel zum äußeren Erdkern. In 5.100km Tiefe erfolgt der Übergang zum inneren Erdkern.
Die oberste Schicht, die starre Erdkruste (Lithosphäre) ist also 10-70km dick und liegt auf der plastischen (teilweise geschmolzenen) oberen Schicht des Erdmantels, der Astenosphäre, auf. Die Lithosphäre setzt sich aus 7 großen und mehreren kleinen Platten zusammen.
Mit der Tiefe nehmen auch Temperatur und Druck zu. Während das Gestein an der Oberfläche die Durchschnittstemperatur der Umgebung annimmt, steigt die Temperatur um etwa 30°C pro 1.000m Tiefe. In vulkanisch aktiven Gebieten liegt dieser geothermische Gradient bei 60-100°C pro 1.000m. Im Erdkern liegt die Temperatur wie an der Sonnenoberfläche bei 6.000°C, der Druck beträgt rund eine Million Atmosphären. Obwohl die Erde nach ihrer Entstehung ein glühender Körper war, hat sie bis heute die Wärme fast vollständig abgestrahlt. Wärme wird allerdings in der Tiefe durch den Zerfall radioaktiver Elemente in großer Menge nachgeliefert.

Plattentektonik

Bei der Betrachtung der Küstenlinien Afrikas und Südamerikas fällt auf, daß die Küstenlinien so zusammenpassen, als hätten sie ursprünglich eine große Landmasse gebildet, die zerbrach. Aufgrund dieser und anderer Beobachtungen stellte Alfred Wegener 1912 die Theorie auf, das vor 200 Millionen Jahren alle Kontinente einen Superkontinent, Pangäa, gebildet hätten, der im Laufe der Jahrmillionen auseinanderbrach. Die Theorie wurde durch Fossilienfunde und Sedimente gestützt. Andererseits wurde sie auch heftig kritisiert und geriet schließlich einige Jahrzehnte in Vergessenheit. In den sechziger Jahren wurde sie wieder aufgegriffen. Sollten die heutigen Kontinente einmal einen Großkontinent gebildet haben, hätten sie sich im Laufe der Zeit um Tausende von Kilometern voneinander entfernen müssen. Mit anderen Worten, Gesteinspakete von kontinentaler Größe hätten verschoben werden müssen.

Die Küstenlinien der Kontinente passen auffällig gut zueinander.
Die Küstenlinien der Kontinente passen auffällig gut zueinander.

Bei geologischen Untersuchungen am Meeresgrund ergaben sich erste Hinweise auf diese Bewegung. Das Magnetfeld der Erde änderte sich im Verlauf der Erdgeschichte mehrmals. Bestimmte magnetische Gesteine konservieren die Ausrichtung des Magnetfeldes über Jahrmillionen. Am Mittelatlantischen Rücken wurden langgezogene Streifen starker und schwacher Magnetfelder gefunden, die einander abwechseln. Sie liegen symmetrisch auf beiden Seiten des Mittelatlantischen Rückens. Der naheliegende Schluß war, das hier durch den Aufstieg von Magma ständig neuer Meeresboden gebildet wird, der vom Rücken in entgegengesetzte Richtungen wegdriftet. Beim Erkalten der Gesteine wird die Richtung des jeweils herrschenden Magnetfeldes konserviert. Meeresbodenstreifen, die dieselbe Magnetfeldrichtung wie heute aufweisen, haben ein starkes Magnetfeld, Streifen mit entgegengesetzter Magnetisierung ein schwaches Feld. Da die Zeit zwischen den jüngsten Umpolungen des Erdmagnetfeldes bekannt ist, läßt sich aus der Breite der Streifen eine Driftgeschwindigkeit berechnen. Sie liegt im nördlichen Bereich des Mittelatlantischen Rückens bei etwa 1cm pro Jahr, im südlichen Bereich bei 5cm pro Jahr. Der Mittelatlantische Rücken ist ein Gebirge, das sich vom Südatlantik bis in den Nordatlantik erstreckt. Eine der wenigen Stellen, an denen das Gebirge sich über die Meeresoberfläche erhebt, ist Island. Das Gebirge entstand durch die Tätigkeit von unterseeischen Vulkanen, die auch heute noch tätig sind, was die isländischen Vulkane eindrucksvoll beweisen. Diese Vulkane liefern auch den Gesteinsnachschub zur Neubildung von Meeresboden.
Durch die ständige Neubildung von Meeresboden - auch als Sea-Floor-Spreading bezeichnet - müßte sich der Erdumfang langsam vergrößern. Da dies aber nicht der Fall ist, muß es einen Mechanismus geben, der zum Verschwinden von Meeresboden führt. Die Krustenplatten bewegen sich an manchen Stellen, z.B. am Mittelatlantischen Rücken, auseinander (Divergenzzonen), an anderen Stellen nähern Sie sich einander (Konvergenzzonen). Dabei taucht dann die eine Platte unter die andere Platte ab und wird im Erdmantel aufgeschmolzen. Ein typisches Beispiel für solche Subduktionszonen ist die Westküste von Amerika. Vor der Küste liegt ein Tiefseegraben. Er markiert die eigentliche Subduktionszone. Auf der Kontinentalplatte zieht sich ein Gebirge mit aktiven Vulkanen von Alaska bis nach Feuerland. Die Kollision der Platten wird auch von starken Erdbeben begleitet.

Divergenz- und Konvergenzzonen - Nahtstellen der Erdkruste.
Divergenz- und Konvergenzzonen - Nahtstellen der Erdkruste.

Sowohl im Bereich von Konvergenzzonen als auch im Bereich von Divergenzzonen sind Vulkane zu finden. Einige bekannte Vulkangebiete, es seien nur die Kanarischen Inseln oder die Hawaii-Inseln genannt, liegen aber nicht in der Nähe von Plattengrenzen. Die Entstehung dieser Vulkane wird auf Hot Spots zurückgeführt. Hier wird Magma aus dem unteren Bereich der Asthenosphäre nach oben befördert und durchbricht die Platten. Hot Spots sind stationär, die Platten bewegen sich über sie hinweg. So entstehen im Laufe der Zeit vulkanische Inselbögen wie die schon erwähnten Kanarischen oder Hawaii-Inseln.
Es bleibt noch die Frage, welche Kraft die Platten bewegt. Im Erdinneren entstehen durch radioaktiven Zerfall hohe Temperaturen. Die stark erhitzten, flüssigen Gesteinsmassen steigen nach oben, ähnlich wie warme Luft über einem Heizkörper oder einer Kerze nach oben steigt. An der Untergrenze der Lithosphäre wird die Konvektionsströmung umgelenkt und verläuft parallel zur Unterseite der Platten. Auf diesem "Förderband" werden die Platten transportiert.

Über Hot Spots entstehen Inselbögen.
Über Hot Spots entstehen Inselbögen.