Die Welt, in der wir leben
Planet Erde
Die junge Erde war ein rotglühender Ball aus
flüssigem Gestein, der aber schnell auskühlte, so dass bald eine
erste Basaltkruste und ein erster Urozean entstehen konnten. Das
flüssige Wasser führte zur Entstehung von Granit und der ersten
Kontinente. Gewaltige geologische Kräfte haben seither das Gesicht
der Erde immer wieder verändert: auf großen Platten treiben die
Kontinente auf dem zähflüssigem Magma des Erdinneren.
Einen tiefen Blick in die Geschichte der
Erde erlaubt der Grand Canyon, Arizona, USA: Die
Gesteine an der Basis sind bis zu zwei Milliarden Jahre alt. Foto:
Tenji, >>
wikipedia commons, abgerufen 19.4.2013.
Die Entwicklung der Erde
Nachdem die Erde vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren
>> entstanden
war, wurden die leichten Gase, die um die entstehende Erde
eine erste Uratmosphäre gebildet hatten, von den Sonnenwinden der
jungen Sonne weggeblasen. Daher hat die Erde (wie die anderen
Gesteinsplaneten) eine andere chemische Zusammensetzung als die
ursprüngliche Gas- und Staubwolke, aus der sie entstanden ist: Die
häufigsten chemischen Elemente auf der Erde sind Eisen (32,1
Gewichtsprozent), Sauerstoff (30,1 Prozent; überwiegend in
chemischen Verbindungen wie den Silikaten gebunden), Silizium (15,1
Prozent), Magnesium (13,9 Prozent) - diese vier machen schon über 90
Prozent der gesamten Erdmasse aus. Eine weitere wichtige Rolle beim
Aufbau der Gesteine spielen noch Calcium (1,5 Prozent) und Aluminium
(1,4 Prozent).
Das chemische Verhalten dieser Elemente bestimmt den Aufbau der
Erde. Chemische Verbindungen sind besonders stabil, wenn ihre äußere
Hülle 2, 10 oder 18 Elektronen besitzt (mehr >> hier).
Sauerstoff besitzt 8 Elektronen in seiner Hülle und "sucht" in
chemischen Verbindungen zwei weitere Elektronen, es ist der
wichtigste "Elektronenakzeptor" auf der Erde. Der wichtigste
Elektronenlieferant ("Elektronendonator") ist Silizium, das 14
Elektronen in seiner Hülle besitzt und davon gerne vier abgibt - ein
Siliziumatom kann beispielsweise mit zwei Sauerstoffatomen ein
Quarzmolekül (Siliziumdioxid) bilden: Quarz ist
das zweithäufigste Mineral auf der Erde; und das häufigste zum
Beispiel an Sandstränden. Noch häufiger ist die Verbindung von
Silizium und Sauerstoff mit Metallen wie Aluminium, Magnesium und
Calcium (allesamt Elektronenlieferanten), genannt
Silikate. Zu ihnen gehören die Feldspate,
das häufigste gesteinsbildende Mineral. Eisen ist chemisch das
vielseitigste der häufigen Elemente: Eisen ist ein
Elektronenlieferant, kann aber sowohl zwei ("zweiwertiges Eisen")
als auch drei Elektronen ("dreiwertiges Eisen") abgeben und außerdem
metallische Bindungen eingehen. (Auch Silizium, Magnesium und
Aluminium können metallische Bindungen eingehen, dies geschieht
jedoch in der Natur fast nie, da hierfür enorme Energie aufgewendet
werden muss.)
Die junge Erde war aufgrund eines heftigen Bombardements durch
Himmelskörper, bei deren Einschlag Bewegungsenergie in Wärme
umgewandelt wurde, und der weitaus größeren Menge an hoch
radioaktiven
Isotopen als auf unserem heutigen "alten" Planeten, die viel
mehr Wärme als heute durch radioaktiven Zerfall produzierten,
anfänglich so heiß, dass die Gesteine geschmolzen waren. Dadurch
wurde die Bildung eines großen zusammenhängenden Körpers
erleichtert. In flüssigen Planeten trennen sich die Materialien nach
ihrem Gewicht: Die schweren Metalle Eisen und Nickel (1,8 Prozent
der Erdmasse) sanken ins Zentrum ab, die leichteren Silikate steigen
dagegen auf (Geologen nennen diesen Prozess Differentiation).
Aus dieser Auftrennung der Materialien erklärt sich der heutige
>> Aufbau der Erde aus konzentrischen
Schalen mit einem metallischen Kern.
Mit dem Aufstieg der Silikate wurde auch Wärme aus dem Erdinneren
an die Oberfläche transportiert, von der aus sie in den Weltraum
abgestrahlt wurde. Es war also nur eine Frage der Zeit, bis sie an
der Oberfläche soweit abgekühlt war, dass die flüssigen
Gesteine kristallisieren konnten. Mit der Entstehung der
Gesteine beschäftigt sich die Petrologie, ein Teilgebiet der
Geowissenschaften. Eines der ersten Minerale, die auf der jungen
Erde und auf dem Mond kristallisierten, dürfte das magnesiumreiche
Silikat Olivin gewesen sein. Olivin ist schwerer als die umgebende
Gesteinsschmelze, so dass es in diese hinabsinkt. Dadurch verändert
sich ihre Zusammensetzung: sie wird ärmer an Magnesium und reicher
an Calcium und Aluminium. Auf dem Mond bildete sich als nächstes das
calcium- und aluminiumreiche Silikat Anorthit, das leichter ist als
die Gesteinsschmelze: ein erste feste Oberfläche entstand. Noch
heute bildet Anorthit den Hauptbestandteil der Mondhochländer
("Terrae"). Auf der feuchteren Erde mit ihrer dickeren Magmaschicht
entstanden dagegen magnesiumreiche Pyroxene, die sich mit Olivin
vermischten und ein Gestein namens Peridotit bildeten. Auch
Peridotit ist dichter als die flüssige Magmaschicht und konnte daher
keine dauerhafte Erdkruste formen. Das versinkende Peridotit wurde
wieder aufgeschmolzen - Gesteine schmelzen aber nicht homogen,
sondern einige Bereiche schmelzen vor anderen. Beim Peridotit haben
diese Schmelzen einen höheren Calcium- und Aluminiumanteil - es
entstanden Plagioklase, aluminium- und calciumreiche Minerale, die
zusammen mit Pyroxenen Basalt bildeten. Basalt ist weniger dicht als
die flüssige Magma. So entstand möglicherwiese bereits vor
4,4 Milliarden Jahren eine erste Basaltkruste.
Diesen Zeitpunkt schließen die Petrologen aus dem Alter des ältesten
Zirkonkristalls, das in den Jack Hills in Australien gefunden
wurden: dieser bildete sich bei Temperaturen, bei denen Basalt fest
wird. Zirkone sind extrem widerstandsfähig, so dass sie auch
mehrfaches erneutes Einschmelzen im >> Kreislauf
der Gesteine überstehen; und sie enthalten Spuren von Uran, so
dass man ihr >> Alter messen
kann. Diese erste Kruste wurde aber wohl noch regelmäßig durch
Einschläge von Meteoriten zerstört oder durch die bei den
Einschlägen entstehende Hitze aufgeschmolzen; Gesteine aus dieser
Zeit konnten jedenfalls noch nicht gefunden wurden.
Der genaue Verlauf der Gesteinsbildung unterhalb der Erdoberfläche
ist noch nicht im Detail bekannt - die Temperaturen und der Druck
können im Labor noch nicht erreicht werden. Wir wissen heute, dass
der unter der Erdkruste liegende Gesteinsmantel der Erde in drei
Schichten unterteilt werden kann und der metallische Erdkern in
einen äußeren und einen inneren Bereich; mehr dazu >> hier.
Zeitgleich mit der Ausbildung
der Schichten im Inneren der Erde bildete sich auf der Erde erneut
eine
Atmosphäre: Im Unterschied zur ersten Uratmosphäre, die aus
Gasen des Sonnennebels bestand, wurde diese zweite
Uratmosphäre durch Ausgasungen aus dem Erdmantel
gebildet. Vulkane waren damals wesentlich häufiger als heute, da die
Magmen durch die dünne und heiße Erdkruste leichter austreten
konnten. Die zweite Uratmosphäre bestand überwiegend aus
Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff und Verbindungen wie
Methan, Ammonium und Schwefelwasserstoff. Sie 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.
Woher kommt das Wasser auf der Erde?
Ungeklärt ist bisher, woher der Wasserdampf kam. War Wasser in den
Gesteinen der Erde gebunden; stammte dieses also aus der Gas- und
Staubwolke der Erdentstehung und wurde beim Aufschmelzen
freigesetzt? Warum aber gibt es dann auf der Erde mehr Wasser als
auf unseren Nachbarplaneten? Manche Forscher glauben ohnehin, dass
die Gas- und Staubwolke zu heiß war, um bedeutende Mengen enthalten
zu haben; und der Wasser sei erst nach der Entstehung der Erde durch
Kometen und Asteroiden aus Eis während des >> "Großen
Bombardements" vor 4,1 - 3,8 Milliarden Jahren auf die Erde
gekommen. Wahrscheinlich trugen beide Prozesse zum heutigen
Wassergehalt auf der Erde bei - wie groß welcher Anteil war, ist
jedoch umstritten. (Und übrigens auch, wie viel Wasser es auf der
Erde gibt: Unbekannte Mengen an Wasser verbergen sich tief im
Erdinneren; bei den üblichen Angaben zur >> Wassermenge
wird dieses nicht betrachtet.)
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. 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 eintausend 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. >> Andere
Forscher erklären die Explosion mit Erdgas, das bei einem
Vulkanausbruch explosionsartig freigesetzt wurde und sich in der
Atmosphäre entzündete.
Woher er auch immer stammte: Der Wasserdampf in der zweiten
Uratmosphäre führte jedenfalls 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. Niemand weiß genau, wann die Erde soweit
abgekühlt war, dass das Wasser liegenblieb und sich ein Urozean
bildete, dessen Volumen vermutlich doppelt so groß war wie das des
heutigen Ozeans; und da es noch keine Kontinente gab, dürfte
er große Teile der Erdoberfläche bedeckt haben. Manche
Petrologen glauben, ein Urozean sei schon vor 4,4
Milliarden Jahren entstanden (wofür der Anteil am
Isotop
Sauerstoff-18 in dem oben erwähnten Zirkonkristallen aus den Jack
Hills spricht, der auf eine niedrige Erdtemperatur hinweist). Andere
glauben daran nicht, aber spätestens vor 4,2 Milliarden
Jahren, darauf deuten alte Sedimente hin, dürfte es
flüssiges Wasser auf der Erdoberfläche gegeben haben. Nur die
höchsten Vulkane ragten aus dem Meeresspiegel heraus. Der nahe Mond
führte zu kurzen Tagen und heftigen Gezeiten; und anfänglich war der
Urozean - warm gehalten von einem heißen Untergrund - wohl auch noch
heiß.
Die Entstehung der Kontinente
Wasser auf der Erdoberfläche drang durch Risse auch in die
Basaltkruste ein, und Wasser senkt die Schmelztemperatur von Basalt.
Wie oben beim Peridotit beschrieben schmilzt auch Basalt partiell,
die Schmelze hat eine andere Zusammensetzung als das
Ausgangsgestein. Sie war reicher an Silizium, aber auch an Natrium
und Kalium. Sie war zudem leichter als Basalt und stieg daher an die
Oberfläche, wo sie zu Granitgestein erstarrte.
Dieses schwamm ähnlich Eisbergen auf Wasser auf dem dichteren Basalt
des Erdmantels; im Laufe der Zeit entstanden so Granit-Inseln. Wie
diese immer größer und schließlich zu Proto-Kontinenten,
den Vorläufern der heutigen Kontinente werden konnten, konnte aber
erst mit der allgemeine Akzeptanz der >> Theorie
von der Plattentektonik erklärt werden: Die Basaltkruste wurde
von den in der früheren heißeren Erde sehr aktiven
Konvektionsströmen im Erdinneren bewegt und immer wieder
eingeschmolzen; das leichtere Granit blieb aber an der Oberfläche,
die Granit-Inseln lagerten sich aneinander und wurden immer größer -
so entstanden Proto-Kontinente, die Vorläufer der späteren
Kontinente. Diesen Prozess nennen die Petrologen Kratonisierung
(nach “Kraton”, dem Fachbegriff für alte
Festlandskerne in den heutigen Kontinentalplatten). Die
ältesten bekannten Gesteine sind 4,28 Milliarden Jahre
alt; sie stammen aus dem Kanadischen Schild, dem Kern des heutigen
Nordamerika. Sehr alte Schilde finden sich auch in Westaustralien
und Grönland; etwa sieben Prozent des heutigen Gesteins in den
Kontinenten stammt aus dem Archaikum, der Zeit bis vor 2,5
Milliarden Jahren. Die Kratone sind der Schlüssel zum Verständnis
der Erdgeschichte: spätere Veränderungen kann man oftmals räumlich
und zeitlich zuordnen, und erhält so ein Bild von den Veränderungen
auf der Erde im Verlauf der Erdgeschichte (mehr >> unten).
Wann sich die Proto-Kontinente erstmals zu einem Kontinent
zusammengelagert haben, ist unklar: Möglich ist,
dass sich die Landmassen vor rund 3,1 Milliarden Jahren
zu einem ersten "Superkontinent" (so wird ein Kontinent genannt, der
fast alle Landmassen umfasst; wobei dieser wohl kleiner war als das
heutige Australien) namens "Ur" vereint waren.
Zugleich begann die
Erosion: Die aufgrund des hohen Gehalts an Kohlendioxid in der
Atmosphäre sehr sauren Niederschläge zersetzten das Gestein -
Feldspate verwitterten zu lehmreichen Böden - und die intensiven
Gezeiten griffen die Küsten an - erste Sandstrände entstanden. Die
Erosion setzte 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 in der Atmosphäre verringerte.
Vor 3,5 Milliarden Jahren, so zeigen Gesteine, war
zudem das Erdmagnetfeld ausgebildet - der Erdkern bildete spätestens
zu dieser einen festen inneren und flüssigen äußeren Bereich, der
wie ein Geodynamo wirkt. Mehr dazu im folgenden Abschnitt.
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 (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.
Die Plattentektonik
Die Entstehung
der 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 nicht die Kontinente alleine, sondern die
(mehreren großen und vielen kleineren) Lithosphärenplatten.
Eine dynamische Erde - die Erklärung der Plattentektonik
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.
Die wichtigsten Lithosphärenplatten, aus denen die Erdkruste heute
besteht, sind oben abgebildet. Die Plattengrenzen werden von den mittelozeanischen
Rücken markiert; sie liegen versteckt unter dem Ozean und
sind mit 65.000 Kilometern Länge das größte Gebirgssystem der Welt.
An diesen Rücken tritt heißes, aufgeschmolzenes 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 dem Grenzbereich zwischen Erdkern
und Mantel - dort wird wie zu Entstehungszeit der Erde durch den
Zerfall radioaktiver Elemente immer noch Wärme nachgeliefert. 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 Wärme ins kalte All ab; dazu müssen die
Wärmeströme aber durch Tausende Kilometer Metall und Gestein aus dem
Inneren an die Oberfläche gelangen. Den größten Anteil daran hat die
Konvektion.
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.
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
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. (Das heißt auch, dass zwei Drittel der
Erdoberfläche zur einen Zeitraum von rund vier Prozent der
Erdgeschichte umfassen - ein Glück für die Geologen, denn alle alten
Gesteine finden sich auf den Kontinenten.) Basalt mit seiner Basis
aus Eisen- und Magnesiumsilikaten führt dazu, dass ozeanische Kruste
dichter ist als kontinentale Kruste, die mehr leichtere Elemente wie
Aluminium enthält. Daher taucht - wie oben dargestellt - 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 – vereinfacht gesagt; 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 der
Ural abgerundet und niedriger. Allerdings sind sie nicht so niedrig,
wie sie es aufgrund der Erosion alleine wären: da die Erosion einen
Massenverlust bedeutet, werden die Gebirge leichter, und die
entlastete Erdkruste hebt sich - diesen Vorgang nennen Geologen
Isostasie. Wenn 30 Zentimeter Gestein abgetragen werden, hebt sich
die Erdkruste um 25 Zentimeter, der Höhenverlust beträgt also nur
fünf Zentimeter.
Die Entwicklung der Kontinente
Wenn die Lithosphärenplatten sich bewegen und die Kontinente sich
verändern, kann die >> heutige
Verteilung der Landmassen nur eine Momentaufnahme sein. Wir
hatten oben bereits gesehen, dass die Kerne der Kontinente von alten
Gesteinen ("Kratonen") aus dem Archaikum gebildet werden. Die
Konvektionsbewegungen im Erdmantel waren damals vermutlich viel
stärker als heute; und ob die Bewegung an der Oberfläche der
heutigen Plattentektonik entsprach, weiß niemand. Am Anfang waren
die Platten wohl kleiner und bewegten sich schnell. Wie die alten
Kerne die mehrere Milliarden Jahre lange Erdgeschichte unbeschadet
überstanden haben, ist noch umstritten, ebenso wie die Rolle der
"Kiele", einer Schicht aus Mantelmaterial, die sich unter ihnen
befindet und tief in die Astenosphäre reicht.
Die ältesten Kratone sind der Schlüssel zum Verständnis der
Bewegung der Kontinente im Laufe der Erdgeschichte. Sie
wurden nämlich im Laufe der Erdgeschichte immer wieder verändert -
durch das Zusammentreffen und Auseinanderbrechen von Kontinenten;
oder durch das Eindringen jungen magmatischen Gesteins. Bei diesem
kann man Alter und Ort bestimmen - zum Alter siehe >> hier; den Ort kann anhand
magnetischer Minerale herausfinden, die sich am Erdmagnetfeld
ausrichten: dieses ist nämlich je nach geografischer Breite
unterschiedlich stark zur Horizontalen geneigt (parallel am Äquator,
senkrecht an den Polen, siehe >> Abb.).
So können die Paläogeographen auf die Position der Kratone im Laufe
der Erdgeschichte rückschließen. Wenn Kratone kollidierten,
entstanden dort typische Spuren wie die „Grünsteingürtel“, Bereiche
mit grün gefärbtem, metamorphem Gestein am Rande der alten
Kontinentalschilde; auseinanderbrechende Kontinente sind an
Sandsteinen an den Rändern (entstanden aus Sedimenten an den
Kontinentalrändern) zu erkennen. Zusammen ergibt sich eine Bild vom
Gesicht der Erde im Laufe der Zeit - ein Bild, dass noch viel
genauer wird, seit im >> Kambrium
die Häufigkeit und Zahl von Fossilien stark zunahmen.
Der erste Urkontinent >> Ur ist noch rein
hypothetisch. Deutlicher sind die Hinweise auf einen Superkontinent
namens Kenorland, der vor 2,7 bis 2,5 Milliarden
Jahren entstanden sein könnte. Vor 2,4 Milliarden Jahren wäre dieser
wieder zerbrochen; und vor 1,9 bis 1,5 Milliarden Jahren wäre der
nächste Superkontinent entstanden (über dessen Namen noch keine
Einigkeit besteht, Columbia - nach einem Fundort
am Columbia-River - ist der am häufigsten verwendete). Dieser
Kontinent hat wohl am Äquator gelegen und war heiß und trocken. Vor
1,6 Milliarden Jahren brach dieser Superkontinent wieder
auseinander; dabei wurde auch der Vorläufer des heutigen
Nordamerika, der Kontinent Laurentia, zusammengefügt (hierüber gibt
es einen Aufsatz des Geologen Paul Hoffmann mit dem schönen Titel
„The United Plates of America“ – Die Vereinigten Platten von
Amerika). Die Bruchstücke entfernten sich 200 Millionen Jahre lang
voneinander, um sich dann wieder anzunähern: Vor 1,2 bis 1 Milliarde
Jahren entstand mit Rodinia der nächste
Superkontinent. Die Existenz von Rodinia wird heute von den meisten
Geologen anerkannt; bei der Kollision der Vorläuferkontinente
entstand die Grenville-Gebirgskette; sie durchzieht des Osten des
heutigen Nordamerikas und liegt heute im östlichen Kanada und in den
Adirondacks im US-Bundesstaat New York an der Oberfläche. Die
Position und die Lage der einzelnen Schilde sind aber durchaus
umstritten; in den meisten Modellen lag Rodinia am Äquator, das
Landesinnere war heiß und trocken wie das heutige Australien.
Rodinia muss von einem weltumspannenden Ozean, genannt Mirovia,
umgeben gewesen sein.
Vor rund 850 Millionen Jahren begann der Superkontinent Rodinia zu
zerbrechen. Zuerst trennten sich der Kongo- und der Kalahari-Kraton
vorn der Landmasse, vor 800 Millionen Jahren der Westafrikanische
Kraton. Vor 750 Millionen Jahren teilte sich der verbleibende Rest
des Kontinents; die entstehenden Platten wurden vom Südpol zum
Äquator bewegt und spalteten kleine Splitter ab; warme und flache
Meeresgebiete bildeten sich. Diese Veränderungen der Lage der
Kontinente führte zu einer Serie gewaltigen Eiszeiten, die als
>>
Schneeball Erde bekannt wurden - und ein Beispiel für das
komplexe Zusammenwirken geologischer Zyklen, des Lebens und anderer
Erdsysteme ist.
Zu Beginn des Kambriums vor 541 Millionen Jahren war Rodinia in
einen großen südlichen Kontinent namens Gondwana,
der die heutigen (Teil-) Kontinente Südamerika, Afrika, Antarktis,
Australien, Madagaskar und Indien vereinigte, und weitere kleinere
Kontinente, die heute die Kerne Nordamerikas und Europas bilden,
zerfallen (>> hier).
Diese wanderten nach Norden, das spätere Nordamerika und Europa
vereinigten sich (>> hier),
später kam das heutige Sibirien hinzu. Vor ungefähr 300 Millionen
Jahren vereinigte sich das nach Norden getriebene Gondwana mit
diesem Kontinent und bildete einen neuen Superkontinent, Pangäa
genannt (>> hier).
Dabei wurde ein Meer zwischen dem heutigen Afrika und Amerika
geschlossen; bei dem Zusammenstoß falteten sich die Appalachen auf.
Vor 175 Millionen Jahren begann der Zerfall dieses Superkontinents
(>> hier): zuerst spaltete
sich Laurentia wieder von Gondwana ab, wobei der Atlantik entstand.
Die Antarktis und Australien spalteten sich als nächstes ab, dann
Indien, dass sich nach Norden bewegte und schließlich gegen Asien
prallte, wobei sich der Himalaya auffaltete. Letztendlich führte der
Zerfall von Pangäa zur heutigen Verteilung der Landmassen auf der
Erde.
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 3,5 Milliarden Jahren
geschah nämlich etwas, was fortan untrennbar mit der Entwicklung der
Erde verbunden war: Es gab >> Leben
auf der Erde.
Das globale Ökosystem - weiter mit:
>> Die
Voraussetzungen für Leben auf der Erde