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Die Lithosphäre tropft

Ablösungen vom Unterrand der festen Erdhülle können die Erdoberfläche verändern

Erdschichten
Die Lithosphäre – die feste Hülle der Erde aus Kruste und einem Teil des Erdmantels - ist an ihrem Unterrand weniger stabil und abgegrenzt als gedacht – sie kann tropfen. © lyash01/ iStock

Weniger stabil als gedacht: In manchen Gebieten verliert die feste Erdhülle immer wieder riesige Tropfen Material an den darunterliegenden Erdmantel. Dieses Lithosphären-Absinken beeinflusst auch die Erdoberfläche, wie ein Laborexperiment demonstriert. Solange der Lithosphären-Tropfen noch an der Kruste hängt, zieht er sie hinunter. Löst er sich, federt die Oberfläche zurück. Das könnte erklären, warum einige Gebiete wie das zentrale Andenplateau sich unabhängig von der Plattentektonik wiederholt gehoben und gesenkt haben.

Die äußere feste Hülle der Erde besteht nicht nur aus der Erdkruste: Auch ein kleiner, äußerer Teil des Erdmantels ist erstarrt und bildet gemeinsam mit der Kruste die Lithosphäre. Aus ihr bestehen die Erdplatten, die wie Schollen auf dem zähflüssigen Rest des Erdmantels schwimmen – und deren Bewegungen die Plattentektonik prägen. Im Laufe der Jahrmillionen formt die Tektonik so Gebirge, Gräben oder Vulkane und lässt die Kontinente wandern.

Mehr als nur die Plattentektonik

Doch es gibt Regionen, in denen die Plattentektonik allein nicht alle Veränderungen erklären kann. Eine davon ist das zentrale Plateau der Anden. Diese von Süd-Peru bis in den Norden Argentiniens reichende Hochebene ist wie die sie umgebenden Gebirgszüge vor mehr als 60 Millionen Jahren durch die Subduktion der pazifischen Nazca-Erdplatte unter die Südamerikanische Platte entstanden. Seither hat dieses Hochplateau aber mehrere Phasen der Hebung und Senkungen erlebt, die sich nicht allein mit der Subduktion erklären lassen.

Hinzu kommt, dass verschiedene Teile der Hochebene jeweils unterschiedliche und zu verschiedenen Zeiten auftretende Deformationen durchlaufen haben, die ebenfalls nicht durch gängige tektonische Mechanismen erklärbar sind. „All dies deutet darauf hin, dass regionalere geodynamische Prozesse diese geologische Entwicklung hervorgebracht haben müssen“, erklären Julia Andersen von der University of Toronto und ihre Kollegen.

Materialverlust am Unterrand der Lithosphäre

Was aber steckt dahinter? Schon länger bestand der Verdacht, dass ein schleichender Materialverlust am Unterrand der Lithosphäre eine Rolle spielen könnte. Dieses Abtropfen geschieht dort, wo die Lithosphäre besonders dick und schwer ist. An ihrem Unterrand kann dann ein großer, dichter Klumpen des Materials absinken – wie ein riesiger hängender Tropfen. Seismische Messdaten deuten auf ein solches Lithosphären-Abtropfen unter anderem unter Zentralanatolien, dem Colorado-Plateau und der Sierra Nevada in den USA hin.

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Das Problem jedoch: Ob und wie sich diese in die Tiefe sinkenden Lithosphären-Tropfen an der Erdoberfläche bemerkbar machen, war bisher ungeklärt.

Experiment
Aufbau des Experiments zum Lithosphären-Tropfen. © Julia Andersen/ Tectonophysics Lab, University of Toronto

Erde im Labormaßstab

„Wir haben deshalb ein dreidimensionales Laborexperiment entwickelt, das diese Tropf-Prozesse maßstabsgetreu verkleinert nachbilden kann“, berichtet Andersen. In einem Plexiglastank diente dabei das sehr zähflüssige Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS) als weicher Teil des Erdmantels, darauf kam eine Schicht mit Ton vermischtem PDMS als Lithosphäre und als Abschluss eine sandartige Schicht als Erdkruste.

Um das Lithosphären-Tropfen in Gang zu bringen und die dafür typischen lokalen Bedingungen nachzubilden, setzten die Forschenden dann ein besonders kompaktes, schweres PDMS-Ton-Stück in die simulierte Lithosphäre ein. Kameras filmten dann, was geschah.

Unten Tropfen, oben Falten und Senken

Und tatsächlich: Nach einiger Zeit entstand am Unterrand der „Lithosphäre“ eine Ausbuchtung, die weiter nach unten absank und dabei ähnlich wie ein Tropfen zäher Honig lang ausgezogen wurde. „Dieses Tropfen passiert über Stunden und ist beim bloß kurzen Zuschauen kaum zu erkennen“, sagt Andersen. „Aber wenn man alle paar Stunden nachschaut, sieht man die Veränderungen sehr deutlich.“

Noch wichtiger aber: Das Experiment zeigte erstmals, was währenddessen an der Erdoberfläche geschieht. Während der „Tropfen“ noch am Unterrand der Lithosphäre zieht, bildet sich darüber eine kreisförmige Senke. „Die dabei entstehende hohe Krustenspannung manifestiert sich in faltenartigen Strukturen“, berichtet das Team. „Wenn der Tropfen weiter absinkt und ausdünnt, federt die Oberfläche wieder zurück und es kommt zu einer Hebung.“

Faltungen
Im Experiment (rechts) sind an der Oberfläche ähnliche Falten und Senken entstanden, wie sie im Arizaro-Becken der zentralen Anden zu beobachten sind. © Andersen et al./ Communications Earth & Environment, CC-by 4.0

Übereinstimmung mit geologischen Befunden

Die im Experiment beobachteten Oberflächenveränderungen stimmten gut mit denen überein, die in großem Maßstab in den zentralen Anden auftraten: „Wir haben festgestellt, dass die von dem Lithosphäre-Abtropfen erzeugten Höhenveränderungen der Kruste gut zur Entwicklung im Arizaro-Becken passen“, sagt Andersen. „Auch die Krustenverkürzung mit den Falten und die beckenartigen Vertiefungen in Modell und Realität entsprechend sich.

Nach Ansicht des Forschungsteams ist es daher sehr wahrscheinlich, dass die in den Anden beobachteten geologischen Deformationen durch das ausgelöst wurden, das viele Kilometer darunter am Unterrand der Lithosphäre passiert. „Gleichzeitig bestätigen diese Ergebnisse, dass die Lithosphäre sich viel dynamischer und fluidähnlicher verhalten kann als bisher angenommen“, sagt Andersens Kollege Russell Pysklywec.

Relevant auch für andere Planeten

Diese Erkenntnisse könnte damit auch Auswirkungen auf die Interpretation von Landschaftsformen und geologischer Entwicklungen in anderen Regionen der Erde haben – und sogar für andere Planeten. „Insgesamt helfen unsere Ergebnisse dabei, eine ganz neue Klasse der Tektonik zu definieren“, sagt Andersen. „Sie könnte große Bedeutung für terrestrische Planeten ohne eine erdähnliche Plattentektonik haben, wie Mars oder Venus.“ (Communications Earth & Environment, 2022; doi: 10.1038/s43247-022-00470-1)

Quelle: University of Toronto

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