Planet Erde

Reise in das Innere der Erde
Geschichte und Aufbau der Erde

Die Erde ist ein dynamischer Planet: Unsere Kontinente treiben auf großen Platten auf dem zähflüssigen Magma des Erdinneren. Gewaltige geologische Kräfte haben das Gesicht der Erde immer wieder verändert; haben Gebirge entstehen lassen, ohne die es gar kein Festland gäbe - eine glatte Erde wäre überall 2.500 Meter hoch von Wasser bedeckt. Über den Kreislauf der Gesteine und andere Kreisläufe sind diese geologischen Vorgänge untrennbar mit dem Leben auf der Erde verbunden.

Die Erde entstand vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren durch die Zusammenballung einer kosmischen Gas- und Staubwolke (>> Die Entstehung von Sonne und Erde). Da die leichten Gase, die um die entstehende Erde eine erste Uratmosphäre gebildet hatten, von den Sonnenwinden der jungen Sonne weggeblasen wurden, hat die Erde (wie die anderen Gesteinsplaneten) eine etwas andere chemische Zusammensetzung als die ursprüngliche Gas- und Staubwolke: Sie besteht vor allem aus den schweren Silikaten und Metallen; die häufigsten chemischen Elemente auf der Erde sind Sauerstoff (32,5 Gewichtsprozent; überwiegend in Verbindungen wie den Silikaten gebunden), Eisen (28 Prozent), Silizium (17 Prozent) und Magnesium (16 Prozent); alle anderen chemischen Elemente sind viel seltener.

Die junge Erde besaß eine weitaus größere Menge an hoch radioaktiven Isotopen als die heutige Erde, daher wurde viel mehr Wärme als heute durch radioaktiven Zerfall produziert; und die ständigen Meteoriten- und Kometeneinschläge führten dazu, dass deren kinetische in thermische Energie umgewandelt wurde (wenn Sie mehr zum energetischen Hintergrund wissen wollen: >> hier) - daher war die Erde so heiß, dass die Gesteine geschmolzen waren. Dadurch wurde die Bildung eines großen zusammenhängenden Körpers erleichtert. In flüssigen Planeten trennen sich aber die Materialien nach ihrem Gewicht: Die schweren Bestandteile Eisen und Nickel sinken ins Zentrum ab, die leichteren Silikate steigen dagegen auf (die Geologen nennen diesen Prozess “Differenziation”). Aus dieser Trennung der Materialien erklärt sich der heutige Aufbau der Erde (siehe >> unten) aus konzentrischen Schalen mit einem metallischen Kern. Im Laufe der Zeit ließ das Bombardement mit Himmelskörpern dann nach; die Erde begann, sich an der Oberfläche abzukühlen. Kälter geworden, kristallisierte diese: Eine erste Kruste aus Basalt bildete sich wohl schon vor 4,4 Milliarden Jahren; dies schließen die Geologen aus den ältesten Zirkon-Mineralen (die entstehen, wenn Magma sich verfestigt), die in den Jack Hills in Australien gefunden wurden. Diese erste Kruste wurde aber wohl immer noch durch Einschläge von Meteoriten zerstört: Gesteine aus dieser Zeit konnten jedenfalls noch nicht gefunden wurden.

Zeitgleich mit der Ausbildung der Schichten im Inneren der Erde bildete sich auf der Erde erneut eine Atmosphäre: Im Unterschied zur ersten Uratmosphäre aus Gasen des Sonnennebels entstand diese zweite Uratmosphäre durch Ausgasungen aus dem Erdmantel - Vulkane waren damals häufiger als heute, da die Magmen durch die dünne, heiße Erdoberfläche leichter austreten konnten. Die Atmosphäre bestand überwiegend aus Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff und Verbindungen wie Methan, Ammonium und Schwefelwasserstoff, scheint aber keinen freien Sauerstoff enthalten zu haben (dies schließt man aus den Kieseleisenerzen, die in dieser Zeit entstanden sind und die zweiwertiges, nicht oxidiertes Eisen voraussetzen). Die Herkunft des Wassers auf der Erde ist bis heute nicht vollständig geklärt - ein Teil dampfte aus dem Erdmantel aus, ein Teil gelangte durch Kometen auf die Erde; aber wie groß die jeweiligen Anteile waren, ist umstritten. Der Wasserdampf führte zu Wolkenbrüchen, die weit stärker waren als die stärksten heutigen Tropenregen - und 40.000 Jahre lang anhielten. Das Wasser verdampfte sofort wieder, als es auf die heiße Erdoberfläche fiel.

Vor etwa 4,2 Milliarden Jahren war dann die Erde soweit abgekühlt, dass das Wasser liegenblieb und sich ein Urozean bildete, der vermutlich große Teile der Erdoberfläche bedeckte. Damals war übrigens ein Tag wohl nur 6 Stunden lang; und der Mond umkreiste die Erde viel dichter: Entsprechend schneller und heftiger kamen damals Ebbe und Flut. Unter dem Urozean schmolz aber das Gestein weiter auf und gelangte in Vulkanen an die Oberfläche, ähnlich wie zuvor im Inneren der Erde kam es auch hier zu einer Trennung leichter und schwererer Materialien: Es wurde leichteres “kontinentales” Gestein mit höherem Aluminium-Anteil abgeschieden; so entstanden die ersten Proto-Kontinente, die Vorläufer der Kontinente. Diese Proto-Kontinente lagerten sich aneinander, angetrieben durch die in der früheren heißeren Erde sehr aktiven Konvektionsströme (>> siehe hier) im Erdinneren; diesen Prozess nennen die Geologen Kratonisierung (nach “Kraton”, dem Fachbegriff für alte Festlandskerne in den heutigen Kontinentalplatten). Mit den Vulkanbergen und der Entstehung von Protokontinenten begann die Erosion: Die aufgrund des hohen Gehalts an Kohlendioxid in der Atmosphäre sehr sauren Niederschläge zersetzten das Gestein und setzten Salze und Mineralien frei, das dabei gebildete Natriumcarbonat reagiert mit Calciumchlorid zu Calciumcarbonat und Kochsalz. Das freigesetzte Salz blieb im Wasser, weshalb das Meerwasser noch heute salzig ist; das entstandene Calciumcarbonat gehört zu den ältesten Sedimenten. Der Himmel war noch nicht blau, sondern rötlich: Die Farbe einer Kohlendioxidatmosphäre. Das Auswaschen des Kohlendioxids durch die Niederschläge führte mit der Zeit zu einer Abkühlung der Erde, da es die Konzentration dieses Treibhausgases (>> mehr) in der Atmosphäre verringerte.

Vor gut vier Milliarden Jahren war wohl das meiste Material im Sonnensystem auf die großen Himmelskörper aufgeteilt oder hatte sich unter dem Einfluss der Schwerkraft des Jupiters im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter konzentriert: Die Meteoriteneinschläge gingen soweit zurück, dass Gesteine nicht mehr grundsätzlich zerstört wurden – die ältesten bekannten Gesteine sind 4,28 Milliarden Jahre alt; sie stammen aus dem Kanadischen Schild, dem Kern des heutigen Nordamerika. Auch anderswo bilden diese ersten Kontinente die Kerne der heutigen Kontinente, die sogenannten Kratone; etwa sieben Prozent des heutigen Gesteins in den Kontinenten stammt aus dem Archaikum, der Zeit bis vor 2,5 Milliarden Jahren. Wann genau in diesem Zeitraum die Erde so weit abgekühlt war, dass sich eine geschlossene Erdkruste bildete, ist umstritten; wahrscheinlich geschah dies bereits im frühen Archaikum. 

Meteoriten und Kometen

Das intensive Bombardement der Erdfrühzeit ist längst vorbei, Meteoriten und Kometen treffen die Erde aber noch heute: Die meisten verglühen beim Eintreten in die Erdatmosphäre – wir kennen sie als Sternschnuppen. Jeden Tag landen 50 bis 100 Tonnen Meteoritenstaub auf der Erde. Gelegentlich sind die Himmelskörper so groß, dass sie nicht vollständig verglühen; manchmal sind sie so groß, dass ihre Folgen katastrophal sind: So hat ein Meteoriteneinschlag die Zeit der Dinosaurier beendet (mehr dazu in >> Die Zeit der Dinosaurier). Meteoritenkrater sind sichtbare Überbleibsel solcher „jungen“ Einschläge; in Deutschland liegt einer der größten der Welt: das Nördlinger Ries am Rand der Schwäbischen Alb. Er entstand wohl vor etwa 15 Millionen Jahren. Die Einschlagkrater aus der Frühzeit der Erde sind jedoch nicht mehr sichtbar; auf der Erde löschte die Erosion sie aus. Dagegen sind sie auf dem Mond noch sichtbar - dies liegt daran, dass es auf dem Mond keine Atmosphäre gibt, und also auch keinen Regen und kein Eis, die sie abtragen könnten.

Rätsel Tunguska

Am 30. Juni 1908 kam es über der Tunguska-Region in Sibirien zu einer gewaltigen Explosion, die Bäume in einem Gebiet von der Größe des Saarlands umwarf. Die Explosion hatte die Energie von 1.000 Hiroshima-Atombomben; ihre Ursache ist bis heute nicht geklärt. Die meisten Wissenschaftler glauben, dass hier ein Meteorit eingeschlagen ist. Allerdings wurden bisher weder Einschlagkrater noch größere Mengen Meteoritenmaterial gefunden. Italienische Wissenschaftler vermuten nun, der Tschekosee könnte dieser Krater sein und wollen dieser Vermutung auf den Grund gehen (>> mehr). Andere Forscher erklären die Explosion mit Erdgas, das bei einem Vulkanausbruch explosionsartig freigesetzt wurde und sich in der Atmosphäre entzündete (z.B. >> hier).

Der Aufbau der Erde

Das Innere der Erde ist schwerer zugänglich als der Mond: Niemand ist je im Erdinneren gewesen. Selbst die tiefste Bohrung erreichte keine 13 Kilometer Tiefe; dort wird es so heiß und der Druck so hoch, dass das Bohrgerät weich wird. Aber schon aus dem Gewicht der Erde (siehe >> oben) und der sich daraus ergebenden Dichte von 5,5 g/cm³ (selbst Granit hat nur eine Dichte von 2,7 g/cm³, eisenreiches Vulkangestein von bis zu 3,5 g/cm³) schloss 1896 der deutsche Physiker Emil Wiechert, dass die Erde einen Kern aus Eisen und Nickel haben müssen - schließlich bestehen manche Meteoriten aus Eisen und Nickel; und diese deutete er als Planetenbruchstücke.

Wiechert ist auch der Begründer der Seismologie: Sie untersucht von Erdbeben ausgelöste Schockwellen (sogenannte seismische Wellen), die von verschiedenen Schichten im Erdinneren gebrochen werden und sich in heißem Gestein langsamer als in kälterem Gestein fortbewegen. Mit entsprechenden Sensoren und Computern zur Auswertung können die Seismologen so ein dreidimensionales Bild des Erdinneren erzeugen (ähnlich wie es die Computertomographie mittels Röntgenstrahlung vom Körperinneren macht). Wiecherts Schüler Beno Gutenberg zeigt 1914, dass mit dieser Methode, dass die Grenze zwischen Erdmantel und Erdkern in 2.900 Kilometern Tiefe liegt. Bereits 1910 hatte der kroatische Seismologe Andrija Mohorovicic die Grenze zwischen Erdkruste und Erdmantel entdeckt. Das heute aktuelle Bild zeigt eine Erde, die wie eine Zwiebel aus verschiedenen Schalen besteht:

Der Aufbau des Erdinneren. Eigene Abbildung.

Ganz außen liegt die Erdkruste aus leichtem Gestein (Dichte 2,7 – 3 g/cm³), deren Dicke von fünf bis 80 Kilometer schwankt: Sie ist also wirklich nur die Haut der Zwiebel; eine Haut allerdings, auf der alle Kontinente, Inseln und Ozeane (und auch alle Lagerstätten für Kohle und Öl) liegen. Sie ist der kühlste Teil der Erde und darum spröde, und schwimmt auf dem dichteren, unter ihr liegendem Erdmantel. Dieser ist etwa 2.900 Kilometer dick und besteht aus schwerem Gestein (Dichte 4,5 g/m³). Sein Hauptbestandteil sind Olivine, Eisen- Magnesium-Silikate, die mit anderen Mineralen das Mantelgestein Peridotit bilden. Der Erdmantel wird in drei Bereiche unterteilt: Der obere Bereich ist etwa 400 km dick, dann folgen ein etwa 250 km dicker Übergangsbereich und ein innerer Bereich. Diese Einteilung spiegelt die Umwandlung der Olivine zum Erdmittelpunkt wider – ihre chemische Zusammensetzung bleibt gleich, aber ihre Struktur ändert sich durch den zunehmenden Druck im Erdinneren: Bei einem Druck von 140.000 Kilogramm pro Quadratzentimeter (oder 14 Gigapascal, wie es in SI-Einheiten heißen muss), wie er in 410 Kilometer Tiefe herrscht, der Grenze zum Übergangsbereich, werden sie zu Wadsleyit; bei 18 Gigapascal zu Ringwoodit (dieser Druck herrscht in 520 Kilometer Tiefe; auch hier ist bei der Auswertung seismologischer Wellen eine Schicht zu erkennen, die im Vergleich aber weniger markant ist). Bei 23 Gigapascal (entspricht einer Tiefe von 660 Kilometern, der Grenze zum inneren Bereich) zerfällt Ringwoodit in zwei andere Minerale (Perovskit und Magnesiowüstit). Das Gestein im Erdmantel ist nicht fest, sondern sehr zähflüssig (>> mehr). Am unteren Rand des Erdmantels gibt es eine weitere, D’’ genannte Schicht, die aber nicht überall vorhanden ist. Sie scheint - ähnlich wie die Lithosphäre - aus einer Reihe von Platten zu bestehen.

Ganz innen folgt schließlich der Erdkern aus Eisen und Nickel; er hat einen Durchmesser von rund 6.800 Kilometern und eine Dichte von 10 – 12 g/cm³. Dass der Kern aus Eisen und Nickel besteht, wird aus seiner Dichte (nur Eisen ist schwer genug und im Universum in ausreichender Menge vorhanden, um so einen Kern zu bilden) und aus der Untersuchung von Eisenmeteoriten geschlossen, die zwischen sieben und 15 Prozent Nickel enthalten. Diese Eisenmeteoriten, so vermutet man, sind die Reste von Eisenkernen aus Himmelskörpern, die in der Frühzeit unseres Sonnensystems zertrümmert wurden (>> Hintergrundinformation: Die Entstehung des Sonnensystems). Auch die Temperatur des Erdkerns muss man indirekt erschließen: Sie muss an der Grenze zwischen innerem und äußerem Kern der Schmelztemperatur des Eisens bei dem gegebenen Druck von 3,5 Millionen Kilogramm pro Quadratzentimeter - also 3,5 Millionen Mal so hoch wie an der Erdoberfläche - entsprechen; diese hängt aber von den Annahmen über die im Kern enthaltenen Verunreinigungen ab. Daher schwanken die Vermutungen über die Temperatur von 5.000 bis 6.500 Grad Celsius - im Inneren der Erde ist es in jedem Fall mindestens so heiß wie die Oberfläche der Sonne. Der innere Kern ist durch den enormen Druck trotzt der hohen Temperatur fest; der äußere Erdkern jedoch flüssig. Durch die Hitze und die Erddrehung wird das flüssige Eisen im äußeren Kern in Bewegung versetzt und gleitet um das feste Eisen des inneren Kern; und dadurch wirkt das elektrisch leitfähige Eisen wie ein Geodynamo: Die Bewegungen erzeugen ein Magnetfeld. Der Erdkern bildete spätestens vor 3,5 Milliarden Jahren einen festen inneren und flüssigen äußeren Bereich aus; seither schützt dieses Erdmagnetfeld die Erde vor den Sonnenwinden, die von diesem zum größten Teil um die Erde herumgelenkt werden (>> mehr). Dieser Dynamo scheint zu schwanken, so dass das Magnetfeld gelegentlich seine Ausrichtung ändert.

Das Magnetfeld der Erde. Abbildung nach einer Abbildung der
Universität Bremen, >> wikipedia, gemeinfrei.

Eine dynamische Erde: Die Theorie von der Plattentektonik

Nach der Entdeckung Amerikas im Jahr 1492 wurden bald die ersten neuen Weltkarten gezeichnet; und der englische Philosoph Francis Bacon war im Jahr 1620 nur einer von vielen, denen auffiel, dass die Kontinente wie ein Puzzle aneinander passen – besonders deutlich ist dies bei Südamerika und Afrika. Als Vater der Idee einer Entstehung der Ozeane durch Auseinanderbrechen der Kontinente gilt heute der flämische Kartograph Abraham Ortelius, der diese Vermutung 1596 in seinem Thesaurus Geographicus äußerte. Als Ursachen dachte er an Erdbeben und Fluten. Gelöst wurde das Rätsel erst in den letzten 200 Jahren. Das 19. Jahrhundert war eine Blütezeit der Geologie; der wichtigste Name in diesem Zusammenhang ist der von Charles Lyell – viele der noch heute gültigen Grundsätze wurden in seinen „Prinzipien der Geologie“ beschrieben. Lyell erkannte, dass man der Vergangenheit durch die Untersuchung noch heute wirkender Ursachen auf die Spur kommen kann, und dass langsame Veränderungen im Laufe der Zeit große Auswirkungen haben können. (Lyell war auch ein Freund von Charles Darwin, und seine Sichtweise hat wohl auch Darwin erst auf die Idee einer Evolution gebracht; mehr hierzu unter >> Die Evolutionstheorie.) Geologen kartierten die Gesteine der Erde und begannen, diese nach der Zeit ihrer Ablagerung einzuteilen. Hieraus entstand eine Einteilung der Erdgeschichte in Zeiträume, wobei im 19. Jahrhundert nur die Reihenfolge der Ablagerungen, aber nicht ihr Alter bekannt war. (Die aktuelle Fassung dieser geologischen Zeittafel finden Sie >> hier.) Bei ihrer Feldarbeit fanden die Geologen mit dem damaligen Wissen unerklärliche geologische und paläontologische Gemeinsamkeiten zwischen verschiedenen Kontinenten: Etwa ähnliche eiszeitliche Gesteinstypen in Südafrika und Indien, oder fossile Blätter der Baumes Glossopteris in Südafrika, Indien und Australien.

Solche Funde führten dazu, dass 1915 der deutsche Meteorologe Alfred Wegener eine Theorie der „Kontinentalverschiebung“ entwickelte: Alle Kontinente wären einst verbunden gewesen, dann auseinander gebrochen und in ihre heutige Lage gedriftet. Ein von Wegener angeführtes Indiz waren die geologischen Ähnlichkeiten südamerikanischer und westafrikanischer Diamantlagerstätten. Abgesehen von wenigen hartnäckigen Verfechtern blieb diese Theorie unbeachtet, zumal keine Antriebskraft für diese Drift denkbar schien. Einer der Verfechter war der englische Geologe Arthur Holmes. Er entwickelte 1927 einen „rein hypothetischen Mechanismus“ für den Kontinentaldrift: eine Konvektionszelle im Erdmantel – durch radioaktive Prozesse im Erdinneren aufgeheiztes Gestein steigt nach oben und bewegt sich beim Auftreffen auf die Kruste seitwärts; dabei zieht es die Kontinente mit sich. Holmes hatte das richtige Prinzip entdeckt. Nach dem Zweiten Weltkrieg zeigte die Untersuchung von Mineralien, dass die Kontinente tatsächlich ihre Position im Laufe der Zeit verändern: Wenn Lava abkühlt, werden magnetische Mineralien so „eingefroren“, dass sie in Richtung auf den Nordpol weisen. Diese Richtung hatte sich im Lauf der Zeit verändert; und zwar auf verschiedenen Kontinenten unterschiedlich – es war also offensichtlich nicht der Pol, der sich bewegt hatte. Diese Entdeckung weckte das Interesse an der Theorie von der „Kontinentalverschiebung“ wieder. Zudem zeigten Untersuchungen mit (ursprünglich zur U-Boot-Abwehr entwickelten) Sonaren, dass der Meeresboden ein ganzes System unterirdischer Gebirge und Gräben aufweist. 1960 entwickelte der amerikanische Geologe Harry Hess die Theorie, dass an den unterirdischen Gebirgen Gestein austritt, und dass die Kontinente passiv auf Mantelmaterial auseinander bewegt werden; es gab also keine „Kontinentalverschiebung“, sondern eine Ausdehnung des Meeresbodens („Sea-Floor Spreading“ in der Sprache der Geologen) – die Vorgänge unter den Ozeanen und die Bewegung der Kontinente hingen zusammen.

Diese Theorie wurde bestätigt, und wieder mit Hilfe des Magnetfelds der Erde: Von Zeit zu Zeit ändert dieses seine Ausrichtung; der Nordpol wird zum Südpol und umgekehrt. Daher müssten auch die magnetischen Minerale in der ozeanischen Kruste regelmäßig ihre Ausrichtung ändern, wenn Hess’ Theorie stimmt – und dieses wurde 1963 von Fred Vine und Drummond Matthews gezeigt. 1965 wurde von Tuzo Wilson die Plattentektonik als umfassende Erklärung veröffentlicht. Die Theorie war derart überzeugend, dass sie seither nahezu einhellig als die grundlegende Theorie der Geologie angesehen wird. Anders als von Wegener angenommen, bewegen sich nach dieser Theorie nicht die Kontinente alleine, sondern die gesamte Erdkruste setzt sich aus (mehreren großen und vielen kleineren) Platten zusammen, siehe die folgende Abbildung.

Die heute anerkannten tektonischen Haupt- und einige der kleineren Platten. Die Pfeile geben die Bewegungsrichtung an; mit dicken roten Punkten sind Subduktionszonen dargestellt (siehe unten im Text). Die beiden dünn gepunkteten Linien zeigen unsichere Verläufe an. Eigene Grafik nach verschiedenen Quellen.

Unter den Ozeanen liegen die mittelozeanischen Rücken, sie markieren Plattengrenzen und sind mit 65.000 Kilometern Länge das größte Gebirgssystem der Welt. An diesen Rücken tritt heißes Gestein aus dem Erdmantel aus und bildet neue ozeanische Kruste. Das Gestein stammt aus dem oberen Bereich des Mantels; aber die Energie zum Schmelzen kommt tief aus dem Erdinneren: Aus der Grenze zwischen Erdkern und Mantel; und damit letztlich aus der Wärme aus der Entstehungszeit der Erde, wobei durch den Zerfall radioaktiver Elemente im Erdinneren immer Wärme nachgeliefert wird - in den letzten 4 Milliarden Jahren ist der Erdkern nur um 150 Grad abgekühlt. Die im Inneren heiße Erde strahlt nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (>> hier) Wärme ins kalte All ab; dazu müssen die Wärmeströme aber durch Tausende Kilometer Metall und Gestein aus dem Inneren an die Oberfläche gelangen. Den bedeutendsten Anteil daran hat die Konvektion, und da die Muster, die entstehen, wenn aus der Tiefe Wärme sprudelt, immer die gleichen sind, kennen wir den Vorgang von einem Topf heißer Suppe auf dem Herd: Heiße Flüssigkeit steigt auf, wird von nachdrängender Flüssigkeit zur Seite geschoben, kühlt an der Oberfläche ab und sinkt wieder nach unten - so entstehen “Konvektionszellen”. Aber nur das Prinzip ist vergleichbar; im Erdmantel geht es ja um Gestein: Gesteine scheinen fest, sind in Wirklichkeit aber zähflüssig – sehr zähflüssig, so wie auch Glas zähflüssig ist; Fenster werden im Laufe der Zeit unten messbar dicker, und an mittelalterlichen Kirchenfenstern kann man dieses manchmal sogar sehen - die Schlieren sind nichts anderes als Spuren des Glasflusses. Die Konvektionszellen im Erdmantel bewegen sich daher nur mit wenigen Zentimetern im Jahr - ein Umlauf dauert 100.000 Jahre. Unterhalb der mittelozeanischen Rücken fließt das aufgestiegene Gestein zu den Seiten (siehe die Abbildung unten) und zieht dabei die auf ihm liegenden Platten mit sich. Ein Teil des heißen, aufgeschmolzenen Gesteins aus dem Erdinneren füllt die Lücke zwischen den Platten – dies ist der Mechanismus der Neubildung von ozeanischer Kruste. Daher ist diese an den mittelozeanischen Rücken am jüngsten und wird mit zunehmender Entfernung immer älter. Und weil die Erde nicht größer wird, muss die Kruste anderswo abgebaut werden: Dies geschieht, wo die ozeanische Platte an einer benachbarten Platte auf den Rand eines stabilen Kontinents trifft. Hier taucht die schwerere ozeanische Kruste unter die leichtere kontinentale Kruste und geht wieder in den Erdmantel ein; dieser Vorgang wird als Unterschiebung oder „Subduktion“ bezeichnet, diese Bereiche heißen daher Subduktionszonen.

Die Ausdehnung des Meeresbodens: Durch Konvektionszellen werden die
Platten auseinander gezogen; heißes Magma tritt in mittelozeanischen
Rücken aus und lagert sich an die Platten an: neue Erdkruste entsteht.
In Subduktionszonen wird die ozeanische Kruste wieder in den Erdmantel
 zurückgeführt. Eigene Abbildung nach Fortey, Der bewegte Planet.

In den Subduktionszonen endet nicht alles Material im Erdmantel; ein Teil wird an die Kontinentalplatten angelagert – diese wachsen. So entstanden im Laufe der Zeit aus den ursprünglichen Mikrokontinenten die heutigen Kontinente. Das eintauchende Material wird wieder erhitzt; ein Teil lagert sich als Magma an die Kontinentalplatte an und bildet dort große Granitkörper. Manchmal tritt es aber auch aus: Subduktionszonen sind daher immer Bereiche mit vielen Vulkanen; der pazifische Feuergürtel gibt dieser Tatsache einen drastischen Namen. Sie sind auch Zonen häufiger Erdbeben; diese entstehen, wenn sich Spannungen zwischen den kollidierenden Platten lösen. Die Platten selbst reichen über die Erdkruste hinaus; sie umfassen auch den obersten, festen Teil des Erdmantels (beide zusammen bilden die Lithosphäre – die “Gesteinshülle der Erde”. Sie bewegen sich auf der Astenosphäre – der Fließschicht, einem Bereich teilweise aufgeschmolzenen Gesteins, der ebenfalls zur oberen Schicht des Erdmantels gehört. Durch das Aufschmelzen wird das im Gestein enthaltene Wasser freigesetzt, dass als eine Art Gleitmittel wirkt und die Bewegung der Platten erleichtert.

Ozeanische und kontinentale Erdkruste unterscheiden sich vor allem durch das Material: Ozeanische Kruste entsteht an mittelozeanischen Rücken aus Magma und besteht daher ausschließlich aus Basaltgestein. Sie ist zwischen fünf und zehn Kilometer dick und da sie immer wieder ins Erdinnere zurückgeführt wird, ist sie vergleichsweise jung – sie ist nirgendwo älter als 200 Millionen Jahre. Basalt basiert auf Eisen- und Magnesiumsilikaten, daher ist ozeanische Kruste dichter ist als kontinentale Kruste, die mehr leichtere Elemente wie Aluminium enthält; und daher taucht - wie oben gesehen - ozeanische Kruste in den Subduktionszonen unter die Kontinente. Deren Kruste besteht aus vielen verschiedenen Gesteinen, je nach ihrer Entstehung kann man magmatische Gesteine, Sedimentgestein und metamorphe Gesteine unterscheiden. Kontinentale Kruste ist im Mittel 30 bis 40 Kilometer dick, manchmal auch bis 80 Kilometer: Wenn bei der Bewegung der Platten zwei Kontinentalplatten aufeinander treffen, taucht keine unter, sondern die Platten kollidieren.

Dabei werden in der Art einer „Knautschzone“ Gebirge aufgefaltet – die Geologen mögen mir dieses sehr vereinfachende Bild verzeihen; die Gebirgsbildung ist tatsächlich ein viel komplexerer Vorgang: er zieht sich über Jahrmillionen hin, durch Druck und Temperatur entstehen ganz neue (metamorphe) Gesteine; statt Knautschzone sprechen Geologen daher lieber von Krustenverkürzung. An den Orten dieser Verkürzung wird die leichte Kontinentalkruste dicker, und dadurch gewinnt sie Auftrieb: Neben der Auffaltung ist das Heben der leichten Kontinentalkruste durch das Material im Erdmantel verantwortlich für die Höhe von Gebirgen. Gebirgsbildung ist immer mit plattentektonischen Vorgängen verbunden: Vor 70 Millionen Jahren begann die Entstehung der Anden und die Kaskadenkette durch die Subduktion von ozeanischer unter die kontinentale Kruste am Westrand Amerikas; aus der Kollision von zwei Kontinentalplatten enstanden der Himalaya (seit vor 45 Millionen Jahren die Indische Platte mit Asien kollidierte) und die Alpen (als vor 30 Millionen Jahren die Afrikanische Platte mit Europa zusammenstieß) – und immer noch werden diese Gebirge weiter in die Höhe gehoben. Gebremst wird ihr Wachstum nur von der Erosion - dem Abtrag von Gestein durch Wind, Regen, Eis und Schnee. Wenn die Auffaltung aufhört, wirkt nur noch die Erosion; daher sind alte Gebirge (wie etwa der Ural) abgerundet und niedriger.

Die in den Subduktionszonen ins Erdinnere eintretenden Gesteine werden wieder eingeschmolzen, so dass ein globaler „Kreislauf der Gesteine“ entsteht, bei dem die verschiedenen Arten der Gesteine ineinander übergehen:

Der Kreislauf der Gesteine. Abbildung verändert nach GEOkompakt Nr. 1, S. 95.

Nicht immer treffen Platten frontal aufeinander, sie können auch seitlich aneinander entlang gleiten: dann bilden sich Verwerfungen wie die San-Andreas-Störung, an der San Francisco liegt. Durch die Spannungen entstehen an solchen Verwerfungen weitere Brüche, die es enorm erschweren, Bewegungen und deren Konsequenzen, wie Erd- und Seebeben, vorherzusagen. Immerhin: Mit der Plattentektonik wurden viele geologische Phänomene erklärbar. Erd- und Seebeben entstehen, wenn sich Spannungen in den tektonischen Platten lösen, egal ob sie frontal aufeinander treffen oder seitlich aneinander entlang gleiten; Vulkane entstehen immer dann, wenn geschmolzenes Gestein aus der Übergangsschicht mit Seewasser in Berührung kommt, dies geschieht vor allem in den Spreizungs- und Subduktionszonen. Vulkane gibt es aber auch über so genannten „Hot Spots“, Magmakammern im oberen Erdmantel, die dort entstehen, wo heißes Material aus dem inneren Erdmantel aufsteigt: Durch die Bewegung der Erdplatten über diesen Hot Spots entstehen bei deren gelegentlichen Ausbrüchen dann ganze Vulkanketten – ein Beispiel ist Hawaii.

Vulkane - Zerstörer und Lebensspender

Vulkane gelten vielen Völkern als der Sitz der Götter: Einerseits erlaubt die fruchtbare Asche an den Hängen der Vulkane reiche Ernten, andererseits können Vulkanausbrüche aber auch Tod und Verderben bringen. Vulkane bringen die Biosphäre in Kontakt mit der Hitze und den chemischen Vorgängen im Inneren der Erde; und erlauben den Wissenschaftlern einen Einblick in die dort ablaufenden Vorgänge.
>> mehr

Die Erforschung der Plattentektonik zeigte, wie die Kontinente sich in der Vergangenheit bewegt haben: Vor 250 Millionen Jahren waren alle Kontinente in einem einzigen Superkontinent, Pangäa genannt, vereinigt; vor 500 Millionen Jahren ähnelte die Erde eher der heutigen; es gab mehrere Kontinente – aber diese waren nicht mit den heutigen identisch. Alte Gebirgskette wie der Ural zeigen an, wo sich einmal Platten vereinigt haben. Platten können aber auch zerbrechen – dies geschieht zur Zeit im afrikanischen Rift Valley, und Indien ist einst von Afrika abgebrochen. 150 Jahre Feldarbeit hatten den Geologen die Daten geliefert, um im Licht der Plattentektonik die Geschichte des Planeten Erde rekonstruieren zu können. Wir hatten schon gesehen, dass sich bereits in der Frühzeit der Erde die ersten Mikrokontinente gebildet hatten; die Vorgänge der Plattentektonik waren durch den größeren Hitzefluss der jungen Erde schneller als heute, und da es noch keine schützende Pflanzendecke gab, gilt dies auch für die Verwitterung und die Erosion. Die Mikrokontinente wuchsen durch die Anlagerung von Material und indem sie miteinander verschmolzen; einige wurden bis heute nicht zerstört und bilden die alten Festlandskerne: die ältesten Schilde finden sich in Kanada, Westaustralien und Grönland; hier finden sich die ältesten Gesteine. Die Geologen können heute sogar erkennen, wo Proto-Kontinente kollidierten: Dort finden sich „Grünsteingürtel“, Bereiche mit grün gefärbtem, metamorphem Gestein am Rande dieser Schilde. Für Geologen sind die Gesteine das Buch, in dem sie die Geschichte der Erde lesen können.

Die Rolle geologischer Vorgänge im >> Ökosystem Erde

Erst seit dem Ende des vorigen Jahrhunderts verfügen die Geowissenschaftler über die Instrumente - bis hin zur Satellitenbeobachtung - die Erde tatsächlich als System zu untersuchen. Damit wurden die grundlegenden Beiträge geologischer Vorgänge zum Funktionieren des Ökosystems Erde, der grundlegende Austauch zwischen Bio und Geo (Nathalie Angier) immer deutlicher. Man muss dieses Zusammenwirken verstehen, um den Planeten Erde wirklich verstehen zu können. Das Zusammenwirken ist komplex. Einige Beispiele: Die Verschiebung der Platten, die zur Auftürmung von Gebirgen führte, hängt auch vom Wasser in den Gesteinen der Astenosphäre ab, das dort als “Schmiermittel” wirkt. Von der Reibung an den Plattengrenzen hängt die Geschwindigkeit der Subduktion ab, die wiederum durch die Last sich auffaltender Gebirge gebremst wird. Sich auffaltende Gebirge beeinflussen ihrerseits das Klima der Erde; die Hebung des Plateaus von Tibet brachte etwa den indischen Sommermonsun hervor (siehe Kasten). Heftige Regenfälle wie die des Sommermonsuns beeinflussen über starke Erosion dann die Geologie des Gebirges: Die erhöhte Abtragung reduziert das Gewicht der Erdkruste, und dies führt zu einer hohen Hebungsrate - zur Freude der Geologen, denn hierdurch wird im Himalaja Tiefengestein zugänglich. Längst brauchen die Geowissenschaftler leistungsstarke Rechner, um diese Wechselwirkungen nachvollziehen zu können.

Plateau von Tibet und indischer Sommermonsun

Im Sommer steigt aufgrund der Sonneneinstrahlung über dem Plateau von Tibet warme Luft auf; diese hält feuchte Meeresluft aus dem Südwesten zurück, die daher über Indien abregnet - der Sommermonsun. An den Sedimenten im Arabischen Meer kann man ablesen, dass der Monsun vor etwa acht Millionen Jahren begann; während des Monsuns fallen oft über 400 Millimeter Niederschlag im Monat (soviel wie in Deutschland in einem halben Jahr).

Der Monsun beeinflusst das Klima weit über Indien hinaus - der hier fallende Regen fehlt anderswo. Etwa zur gleichen Zeit, als der Monsun entstand, nahm der Anteil von Sand in den Sedimenten vor der Westküste Afrikas zu: Zu dieser Zeit begann offensichtlich die Austrocknung Afrikas und die Entstehung der Sahara. (Es war wohl diese Austrocknung, die in Afrika zur Entwicklung des modernen Menschen führte (>> Der Weg zum Menschen); demnach hätten also auch wir letztendlich unseren Ursprung in der Entstehung des Himalaja und der Entstehung des Plateaus von Tibet!)

Aufgrund der Kontinentalverschiebung ist die heutige Verteilung der Landmassen nur eine Momentaufnahme. In der Vergangenheit gab es auch Zeiten, da weite Teile der Kontinentalplatten von Ozeanen überflutet waren – Fossilien von Meerestieren tief im Landesinneren belegen dies. Zu anderen Zeiten lag der Meeresspiegel niedriger als heute - der Festlandssockel gehörte zur Landfläche. Diese Änderungen hängen mit der Lage der Kontinente (mehr: >> Geschichte des Lebens auf der Erde) und mit den >> historischen Klimaveränderungen zusammen.

Neben solchen langsamen Vorgängen, die nur in geologischen Zeiträumen wirksam wurden, gab es aber auch plötzliche Ereignisse wie Vulkanausbrüche, die das Klima auf der Erde auf einen Schlag verändern konnten. Das Zusammenwirken der Bestandteile des Ökosystems Erde sollte die Entwicklung des Lebens und die Geschichte des Menschen prägen. Schon vor mindestens 3.500 Millionen Jahren geschah nämlich etwas, was die Erde ebenfalls sehr verändern sollte und seither mit ihrer Geschichte verbunden ist: Es gab >> Leben auf der Erde.

Weiter mit: >> Die Voraussetzungen für Leben auf der Erde

© Jürgen Paeger 2006 - 2010

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