Theorie der Plattentektonik

Bereits vor langer Zeit war bekannt, dass sich → Erdbeben und → Vulkane auf schmale Zonen der Erde konzentrieren. Es gab viele Theorien darüber, aber keine genügte, um alle Phänomene in einer Erklärung zu vereinen. In den 1960er Jahren entwickelte sich eine revolutionäre Theorie, die nicht nur Alfred Wegeners Idee der Kontinentaldrift bestätigte, sie kann auch Erdbeben und Vulkanismus umfassend erklären: die Theorie der Plattentektonik.

Die Theorie der Plattentektonik besagt, dass die Lithosphäre, also die äußere feste Schale der Erde aus Erdkruste und oberstem Erdmantel, in starre Platten zerbrochen ist, die auf dem Globus permanent auf der heißen, zähplastischen Asthenosphäre in Bewegung sind. Das Puzzle der Erdoberfläche setzt sich aus sechs großen und einer Vielzahl von kleineren Platten zusammen. Die größte unter ihnen trägt fasst den ganzen Pazifischen Ozean, die kleinste Platte umfasst gerade einmal das Gebiet der Türkei. Die Grenzen der Platten sind nicht immer mit den Grenzen der Kontinente identisch. Eine Platte kann teilweise kontinental, teils ozeanisch sein. Andere wiederum sind nur kontinental oder nur ozeanisch. Was aber bewegt die Platten? Durch Temperaturunterschiede im Erdmantel werden offenbar Ausgleichsströmungen im zähen Material der Asthenosphäre hervorgerufen, welche die Lithosphärenplatten ganz langsam mitziehen und bewegen. Die Lithosphärenplatten wandern durch die Strömungen in der Asthenosphäre sozusagen auf dem Globus umher, was man als Kontinentaldrift bezeichnet. Ganz Ähnliches passiert, wenn man größere und kleinere Styroporplatten in die Mitte eines Gefäßes mit fast siedendem Wasser gibt. Unter den größeren Styroporplatten kommt es dann zum Wärmestau, da sie das Wasser zur Luft hin gut isolieren. Das wärmere Wasser weicht zur Seite aus. Die Folge ist eine seitliche Ausgleichsströmung unter den größeren Styroporplatten. Dadurch driften die kleineren Plättchen von den größeren weg und landen nach kurzer Zeit am Gefäßrand. Die Lithosphärenplatten sind natürlich nicht so schnell. Sie gleiten um nur wenige Zentimeter pro Jahr über die darunter liegende Asthenosphäre hinweg. Und auf unserer Erde gibt es zwischen den Lithosphärenplatten natürlich keinen Freiraum. Wie nun genau die Platten bewegenden Materialumverteilungen in der Asthenosphäre ablaufen und warum Platten ihre Bewegungsrichtung ändern, ist jedoch bis heute noch nicht bekannt.

Plattentrennungen - divergierende Plattengrenzen:

Da sich die Platten unabhängig voneinander bewegen, stoßen sie an ihren Grenzen zusammen oder driften auseinander. Bewegen sie sich voneinander weg, spricht man von divergierenden Grenzen. Entlang der entstehenden Lücke steigt heißes Mantelgestein im Zuge der auseinandertreibenden Konvektionsströmungen auf. Infolge der einsetzenden Druckentlastung im Bereich der Kluft beginnt es sich langsam zu verflüssigen. Es entsteht eine → Magmakammer, von wo aus das gegenüber der kalten Lithosphäre nun weniger dichte → Magma nach oben dringt. Dieses Material wird zu neuer Lithosphäre, die den divergierenden Platten angefügt wird. Ein solcher Prozess kann sich, abhängig vom Verlauf der Plattengrenzen, am Meeresboden oder auf Kontinenten abspielen.

Am Meeresboden sind auseinanderdriftende Plattengrenzen durch ozeanische Rücken erkennbar. Dort entsteht permanent neuer Meeresboden, was man als Seafloor-Spreading bezeichnet. Durch die geringe Dichte des aufsteigenden Magmas erhebt sich der Meeresboden zu einem gewaltigen Rücken mit einem Zentralgraben oder → Rift-Valley. Wenn sich das Material vom Rücken entfernt, kühlt es ab und wird dichter. Es zerbricht dabei staffelartig in Schollen und sinkt an beiden Seiten nach unten ab. Lokal sind die Rücken so hoch, dass sich Vulkaninseln aus dem Meer erheben. Island mit Europas größtem → Gletscher, dem 8456 km² Vatnajökul, ist ein Teil des mittelatlantischen Rückens, der den Atlantik in seiner ganzen Länge durchzieht. Plattentrennungen auf Kontinenten zeichnen sich ebenfalls durch lange Rift-Valleys mit Vulkanismus und Bruchtektonik aus. Entlang des ostafrikanischen Grabensystems finden wir daher eine große Anzahl hoher Vulkanberge mit Hochgebirgscharakter wie den Kilimanjaro (5895 m) oder den Mount Kenya (5199 m).

Plattenkollision:

Der Trennung von Lithosphärenplatten steht die Plattenkollision gegenüber. Dabei muss zwischen dem Aufeinandertreffen von ozeanischen und kontinentalen Plattenrändern unterschieden werden. Die schwerere ozeanische Lithosphäre taucht stets unter den leichteren kontinentalen Platten ab. Man nennt diesen Prozess Subduktion (von lateinisch subducere = unten wegziehen). Hierbei entstehen Tiefseegräben, die Meerestiefen von mehreren Kilometern errechen können. Beispiele sind der 8066 m tiefe Atacamagraben vor der südamerikanischen Westküste oder der 6662 m tiefe Mittelamerikanische Graben vor der Pazifikküste von Mexiko und Guatemala. Der Rand der Kontinentalplatte wird bei der Kollision gestaucht, gefaltet und hochgehoben. Die im Mantel abtauchende Platte wird in Tiefen von etwa 100 km aufgeschmolzen. Magma steigt auf, und es bilden sich Vulkanketten entlang der Küsten. Dies wird durch die starke Reibungshitze begünstigt, die beim Übereinanderschieben der Platten entsteht. Sie verleiht der Schmelze, ebenso wie die Gase der aufschmelzenden, wasserreichen Ozeanbodensedimente, zusätzlich Auftrieb. Die südamerikanischen Anden mit hohen Vulkanen wie dem Chimborazo (6310 m) oder dem Cotopaxi (6005 m) sind ein typisches Beispiel für ein Kettengebirge am Kontinentalrand.

Kollidieren zwei ozeanische Platten, muss eine untertauchen. Durch das Aufschmelzen der subduzierten Platte und den Aufstieg von Magma entsteht ein vulkanischer Inselbogen. Die philippinischen Inseln mit ihren hohen Vulkanen sind dafür ein Beispiel.

Wenn aber zwei kontinentale Platten zusammentreffen, können sie aufgrund ihrer geringen Dichte nicht nach unten abtauchen. In diesem Fall überfährt die eine Platte die andere, was zur Vergrößerung der Krustenmächtigkeit, zu Faltungen und Überschiebungen der Gesteine führt. Es entstehen Gebirge vom Typ der Alpen. Man spricht daher auch von alpidischer Gebirgsbildung oder alpinotypen Gebirgen. Hierzu gehört auch der Himalaya, das mit dem 8848 m hohen Mount Everest höchste Gebirge der Welt. Es entstand durch die Kollision der indischen mit der eurasischen Platte. Die Entstehung von Hochgebirgen beruht also im Wesentlichen auf dem Öffnen und Schließen von Ozeanen, der Bildung neuer ozeanischer Kruste an mittelozeanischen Rücken und der Subduktion von älterer ozeanischer Kruste im Bereich von Subduktionszonen. Eine Sonderstellung nehmen hohe Berge wie etwa der 4202 m hohe Mauna Kea auf Hawaii ein, die durch Hot Spots entstehen.

Hot Spots:

Hot Spots sind vulkanische Erscheinungsformen von so genannten Manteldiapiren (von griechisch diapeíro = durchstoßen), die aus einem eng begrenzten Strahl von heißem Material bestehen, das durch seine geringere Dichte aus dem Innern des Erdmantels säulenartig aufsteigt. Das Magma schmilzt die ozeanische Platte an einem Punkt auf, bildet eine Magmablase und durchdringt letztendlich in Schloten die Lithosphäre, um am Meeresgrund auszufließen. Der Hot Spot ändert seine Lage nicht. Wenn sich eine Platte über einen Hot Spot hinwegbewegt, hinterlässt dieser eine Reihe zunehmend älterer und erloschener Vulkane, eine so genannte Altersreihe. Die Inselkette des Hawaii-Archipels ist eine solche Altersreihe. Hawaii begann sich als jüngste Insel vor etwa zwei Millionen Jahren auf dem Meeresgrund zu bilden. Midway im Nordwesten ist rund 30 Millionen Jahre alt. Die vulkanischen Inseln des Hawaii-Archipels mit ihren über 4000 m hohen Gipfeln liegen im Zentrum der pazifischen Platte, eine Tatsache, die sich nur schwer in die Theorie der Plattentektonik einfügen ließ. Ein ortsfester Hot Spot schweißt jedoch keine regelrechte Naht in die darüber hinweggleitende Lithosphäre. Denn die austretende Lava kommt nicht als kontinuierlicher Strom aus der Tiefe, sondern in gewissen Abständen als Mantel-Plume, also portionsweise (von lateinisch pluma = Flaumfeder). Auch der → Vulkanismusder Kapverdischen Inseln, der Galapagosinseln oder der Azoren wird auf Hot Spots zurückgeführt.

(s. a. Stichwort → Hot Spots)

Transformstörungen:

Einige Plattenränder jedoch kollidieren und divergieren nicht, sondern gleiten an so genannten Transformstörungen aneinander vorbei. Die berühmte San-Andreas-Störung in Kalifornien ist eine derartige Plattengrenze. Dort driftet die pazifische Platte an der nordamerikanischen vorbei. Die Bewegungen zwischen den Platten erfolgen aber nicht gleichmäßig, sondern ruckartig. Und eine solche Bewegung bewirkte das → Erdbeben von San Francisco im Jahre 1906. In dieser Zone ist zu befürchten, dass innerhalb der nächsten 30 Jahre eine erneute Ruckbewegung zwischen beiden Platten zu einem starken Erdbeben mit gewaltigen Zerstörungen im Gebiet von Los Angeles führen wird.

Die Geschichte einer Theorie:

Wir wissen heute, dass die Lithosphäre, die äußere Schale der Erde aus Erdkruste und oberstem Erdmantel, in viele Platten zerbrochen ist, die sich relativ zueinander bewegen. Damit sind Erdbeben und Vulkanismus verbunden. Schon vor langer Zeit begann man, sich Gedanken über die Entstehung von Erdbeben zu machen. Um 600 v. Chr. nahm der griechische Naturphilosoph Thales von Milet als Ursache für Erdbeben an, dass die Erde wie ein schaukelndes Schiff auf dem Wasser schwimmt. Nach Aristoteles (348-322 v. Chr.) wird die feuchte Erde durch innere Wärme und die Sonne so aufgeheizt, dass Winde und Stürme entstehen, die den Untergrund mit seinen zahlreichen Höhlungen erschüttern, wie Winde auch im menschlichen Körper Zittern und Krämpfe erzeugen können

Im Mittelalter war es oft ein Drache, der voller Zorn um sich schlägt, oder ein Riesenfisch, der die Erde beben lässt. Nach einem Mythos aus Japan, dem klassischen Erdbebenland, wird das Erdinnere von einem großen Drachen bewohnt. Er schüttelt sich bei schlechter Laune und speit zudem noch Feuer, sodass die Erde bebt und brennt. Auch gab es dort der Sage nach Welse, die mit ihren massigen Körpern die Erde erschütterten.

Der Philosoph und Universalgelehrte Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) nahm an, dass Feuerherde aus Erdhöhlen ausbrechen und Beben erzeugen können, die sich bei der Abkühlung der Erde gebildet haben. Die Beschäftigung mit der Elektrizität im 18. Jahrhundert führte zu der Idee, dass bei Erdbeben elektrische Entladungen wie bei → Gewitternim Untergrund ausbrechen. Man empfahl daher den Einbau von Erdbebenableitern gemäß dem Franklinschen Blitzableiter. 1787 vermutete der Naturforscher Friedrich Heinrich Alexander Freiherr von Humboldt (1769-1859) die Existenz einer Kontinentalverschiebung. Obwohl ein schlüssiger Beweis dafür ausblieb, sollte sich diese Theorie als richtig erweisen.

Im Jahr 1829 formulierte der französische Geologe Elie de Beaumont die Kontraktionstheorie. Danach werden die Bewegungen der Erdkruste durch Volumenabnahme der Erde verursacht. Da die abgekühlte Kruste nicht mehr schrumpfen kann, müsste sich zwischen ihr und dem Erdkörper ein Zwischenraum bilden. Stabile, starre Krustenklötze brechen plötzlich nach, und bei diesem Kampf um den Raum kommt es zu gewaltigen Einstürzen mit heftigen Erschütterungen. Die entgegengesetzte Auffassung vertrat die Expansionshypothese. Der englische Physiker P. Dirac (1902-1984) begründete die Ausdehnung der Erde durch allmähliche Verringerung der Massenanziehung. Die noch einheitliche Erdkruste geriet infolge der Volumenzunahme des Erdballs unter Dehnungsspannung und wurde zerrissen. Hier wäre also Dehnung die Erschütterungsursache. Einen Kompromiss zwischen beiden Ansichten stellte die Oszillationshypothese dar. Danach wird das Gleichgewicht der Erde durch innere und äußere Kräfte im rhythmischen Ablauf gestört. Abwechselnde Erwärmung und Abkühlung sollen die Ursachen tektonischer Intensitätszyklen und geologischer Phänomene sein. Noch bis in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts war unter Wissenschaftlern die Auffassung verbreitet, in früheren geologischen Zeiten habe sich die Lage der Kontinente im Vergleich zur Gegenwart nicht wesentlich geändert.

Geradezu sensationell und verwegen erschien daher die - schon von Humboldt geäußerte - Idee von Alfred Wegener (1880-1930), dass sich die Kontinente über Millionen von Jahren verschoben haben sollen. Nach seiner Kontinentaldrift-Hypothese würden die auf dem fließfähigen oberen Erdmantel schwimmenden Kontinentschollen durch Trägheitskräfte der Erdrotation angetrieben und verschoben. Dadurch wären auch Erdbeben begründbar.

Eine bemerkenswerte Vorstufe zur modernen Plattentektonik war die Unterströmungshypothese. In diesem dynamischen Modell spielten bereits Konvektionsströmungen als Motor für Stauchungen, Brüche und Faltungen der Kruste eine entscheidende Rolle. In Zerrungszonen kommt es demnach zur Bildung von Dehnungsklüften und zur Anhebung von Krustenblöcken durch das Nachdrängen von Magma. All diese Stellen sind demzufolge potentielle Erdbebenherde.

In den 1960er Jahren erschütterte dann eine revolutionäre Theorie die Welt der Geowissenschaftler: die Theorie der Plattentektonik. Sie erwies sich bis heute als dauerhaft und vereint auch wesentliche Aspekte der Kontinentaldrifthypothese Alfred Wegeners und der Unterströmungshypothese unter einem Dach..

Alfred Wegener - Pionier der Plattentektonik:

Der Polarforscher, Geophysiker und Meteorologe Alfred Lothar Wegener wurde am 1. November 1880 in Berlin geboren. Er stammte aus einer Theologenfamilie, war Schwiegersohn des berühmten Meteorologen Wladimir Köppen und studierte in Heidelberg, Innsbruck und Berlin die Fächer Astronomie, Geophysik und Meteorologie. Er promovierte im Fach Astronomie. Von 1905 bis 1906 war er Assistent am Aeronautischen Observatorium in Lindenberg. Es folgte eine Grönlandexpedition und die Habilitation. 1912 trug er seine Hypothese zur Kontinentalverschiebung auf einer Tagung in Frankfurt a. M. erstmals vor, die er in dem Buch “Die Entstehung der Kontinente und Ozeane“ 1913 veröffentlichte. Der revolutionäre Gedanke, dass die heutigen Erdteile ineinanderpassende “Puzzle-Stücke“ eines großen Urkontinents sind, die sich verschoben haben, kam Wegener im Jahre 1910 beim Betrachten einer Weltkarte.

Die Hauptpunkte seiner Theorie waren das Schwimmen der nicht fixierten Kontinente und die ehemalige Existenz eines einzigen Urkontinents “Pangäa“ (von griechisch = ganze Erde), der vor Urzeiten zerbrach und dessen Bruchstücke die heute bekannten Erdteile bilden. Wegener verneinte die alten Vorstellungen einer schrumpfenden oder sich ausdehnenden Erde und führte die Oberflächenveränderungen allein auf die Kontinentalverschiebung zurück. Neben dem Übereinstimmen der Kontinentalränder fand er bis zur dritten Auflage seines Buches 1922 neue Indizien für seine Theorie. Auf Spitzbergen entdeckte man Reste von Buchen, Eichen und tropischen Pflanzen. Diese Funde konnten nach seiner Meinung nur dadurch erklärt werden, dass sich Spitzbergen von den Tropen zum Polarkreis bewegt hatte. Auch übereinstimmende Gesteinsabfolgen über die Kontinente hinweg sah er als Indiz der Kontinentalverschiebung.

Seine Theorie wurde in Frankfurt a. M. wie auch auf anderen internationalen Kongressen vom Fachpublikum aus Geologen, Paläontologen, Geophysikern und Geographen scharf kritisiert. Letztendlich wurde sie abgelehnt. Als Meteorologe fand er hingegen allgemeine Anerkennung. Von 1919 bis 1924 war er Abteilungsleiter der Deutschen Seewarte und außerplanmäßiger Professor an der Universität Hamburg. 1924 erhielt er den Lehrstuhl für Geophysik und Meteorologie in Graz.

Alfred Wegener arbeitete sein ganzes Leben an “seiner Theorie“ und suchte nach neuen Beweisen. Seine größte Unternehmung war die deutsche Grönland-Expedition 1930/31 mit reichhaltigen glaziologischen und meteorologischen Erkenntnissen, auf welcher er seinen Tod fand. An seinem 50. Geburtstag trat er bei -54 °C und Schneestürmen seinen Rückmarsch zur Westküste Grönlands an. Begleitet wurde er von einem Eskimo und 17 Hunden. Er sollte sein Ziel nie erreichen. Offenbar war Wegener einem Herzschlag erlegen. Obwohl dieses tragische Ereignis weltweit mit großer Anteilnahme aufgenommen wurde, war es für die Fachwelt kein Signal, sich erneut mit seinen Theorien zu befassen. Es dauerte schließlich mehr als 50 Jahre, bis seine Theorien im Kern bestätigt wurden und allgemeine Anerkennung fanden. Die Wende brachte erst die Entdeckung und moderne Erforschung der mittelozeanischen Rücken.

Der Aufbau der Erde - Grundlagen der Plattentektonik:

Wir wissen heute durch die Erkenntnisse der Geophysik, dass die Erde kein durch und durch fester Körper ist. Die Erde ist wie eine Zwiebel aus vielen Schalen aufgebaut, die sich hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, Temperatur, Dichte und ihres Aggregatzustands (also fest, flüssig oder gasförmig) deutlich voneinander unterscheiden. Grob unterscheidet man Erdkruste, Erdmantel, und Erdkern. Man weiß dies aufgrund von seismologischen Auswertungen von Erdbebenwellen, die den ganzen Erdball durchlaufen und an den verschieden aufgebauten Schalen unterschiedlich reflektiert oder abgelenkt werden.

Die äußerste, erkaltete und damit feste Schale setzt sich aus der Erdkruste sowie dem obersten Bereich des Erdmantels zusammen und ist in starre Platten zerbrochen. Man nennt diese in Einzelstücke zerbrochene Schale Lithosphäre (von griechisch lithos = Stein und sphaíra = Kugel). Sie hat eine Dicke von 70-bis 120 km. Die Dicke der Lithosphäre schwankt deshalb, weil die Erdkruste im Bereich von Kontinenten etwa 25-50 km und im Bereich der Ozeane zwischen nur rund 5-8 km mächtig ist. Man spricht auch von kontinentaler und ozeanischer Kruste. Kontinentale Kruste besteht neben einem relativ geringmächtigen Sedimentanteil vorwiegend aus leichteren, sauren Gesteinen wie Granit mit einem spezifischen Gewicht von rund 2,7 g/cm³. Hauptbestandteile sind Silicium-Aluminium-Verbindungen. Daher wird sie auch als Sial bezeichnet. Die ozeanische Kruste ist im Wesentlichen aus dichteren basaltischen Gesteinen mit einem spezifischen Gewicht von rund 3 g/cm³ zusammengesetzt. Silicium- und Magnesium-Verbindungen herrschen hier neben mehr oder weniger geringmächtigen Sedimenten vor. Analog wird dieser Bereich der Erdkruste Sima genannt.

Die Grenzen der Lithosphärenplatten sind nicht unbedingt mit den Grenzen der Kontinente identisch. Eine Platte kann einen Kontinent und einen Ozean tragen, andere sind nur kontinental oder nur ozeanisch. Sämtliche Lithosphärenplatten schwimmen wie Brotstücke auf dem extrem zähen Brei der bis zu 1200 °C heißen Asthenosphäre (von griechisch asthenos = weich), dem nächsttieferen Mantelabschnitt. Man kann fast sagen, die Asthenosphäre ist so zäh, dass sie gleichsam fest erscheint. Der Grund: Durch den enormen Druck von Seiten der darüber liegenden Lithosphäre (mehr als 10 t/cm²) kann sich das heiße Gestein nicht verflüssigen, auch wenn die Temperaturen dazu durchaus hoch genug wären. Den unteren Teil des oberen Erdmantels bildet die Mesosphäre (von griechisch mésos = mitten). Sie liegt in einer Tiefe von etwa 350-700 km. Bis in eine Tiefe von rund 2900 km folgt der untere Mantel und schließlich der äußere und innere Erdkern. Der äußere Kern ist flüssig und reicht bis in eine Tiefe von 5000 km. Der innere Kern ist fest und besteht aus einer Legierung von Eisen und Nickel. Die Temperaturen liegen dort bei etwa 6000 °C.