Lösten Plumes Plattentektonik aus?
Dass die oberste starre Schicht der Erdoberfläche aus beweglichen Platten zusammengesetzt ist, gehört zum Grundschulwissen. Welcher Mechanismus die Plattentektonik jedoch in Bewegung gesetzt hat, ist bislang ein Rätsel. Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von ETH-Professor Taras Gerya hat nun mithilfe von Simulationen eine mögliche Antwort erhalten.
«Nur zu wissen, wie ein Huhn aussieht und alle die Hühner davor ausgesehen haben, hilft nicht, das Ei zu verstehen», sagt Taras Gerya. Der ETH-Professor für Geophysik spricht mit diesem Bild die Plattentektonik und die frühe Erdgeschichte an. Die Lithosphäre der Erde, also die oberste starre Schicht, welche die Erdkruste und den obersten harten Teil des Mantels umfasst, ist in verschiedene Platten unterteilt, die in ständiger Bewegung sind. Und Geologen verstehen heute gut, wovon diese Plattenbewegungen angetrieben werden: Entlang von sogenannten Subduktionszonen tauchen schwerere ozeanische Platten unter leichtere Kontinentalplatten. Ist die Bewegung einmal in Gang gekommen, wird sie durch das Gewicht der abtauchenden Platte aufrecht erhalten.
Nach wie vor verstehen Erdwissenschaftler jedoch nicht, was die Plattentektonik auslöste und wie sich die erste Subduktionszone bildete. Denn um das Abtauchen von Teilen der Erdkruste in den Erdmantel zu starten, braucht es eine Schwachstelle in der Lithosphäre. War es ein gigantischer Meteorit, welcher ein Loch in sie schlug? Oder sorgten die Kräfte der Mantelkonvektion dafür, dass die Lithosphäre in bewegliche Teile zerbarst?
Vorbild Venus
Keine dieser Erklärungsversuche sind für Gerya schlüssig. «Die modernen tektonischen Bewegungen lassen kaum Rückschlüsse darauf zu, was diese in Gang gesetzt hat», erklärt er. Der ETH-Professor suchte deshalb nach einer neuen plausiblen Erklärung.
Inspiration dafür fand er unter anderem anhand von Studien der Oberfläche des Planeten Venus. Auf diesem Planeten gab es nie Plattentektonik. Dafür beobachtete (und modellierte) Gerya auf der Venus Strukturen, die in der Frühzeit (Präkambrium) der Erdgeschichte vor dem Einsetzen der Plattentektonik möglicherweise auch auf der Erdoberfläche zu finden waren: riesige kraterähnliche Kreise. Diese weisen vermutlich darauf hin, dass Mantelplumes vom Eisen-Kern der Venus an die Oberfläche aufstiegen und die Haut dieses Planeten aufweichten und schwächten. Plumes entstehen tief im Inneren der Venus, steigen bis unter deren starrer Aussenhaut auf und führen dabei teilweise aufgeschmolzenes Mantelmaterial mit sich. Durch den Widerstand der harten Lithosphäre gebremst, breitet sich der Materialstrom seitlich aus und nimmt die Form eines Pilzes an. Die Plumes sorgten dafür, dass die Lithosphäre geschwächt und verformt wurde.
Solche Plumes existieren wahrscheinlich auch im Erdinnern. Sie könnten analog zur Venus in grauer Vorzeit Schwachstellen in der Lithosphäre der Erde erzeugt haben, welche für den Beginn der Plattentektonik nötig waren.
Mantelplume erzeugt Schwachstelle
Zusammen mit Kollegen entwickelte der ETH-Geophysiker deshalb neue Computermodelle, mit deren Hilfe er diese Idee erstmals hochaufgelöst und dreidimensional untersuchte. Die entsprechende Publikation darüber wurde soeben in «Nature» veröffentlicht.
So zeigen die Simulationen, dass Mantelplumes und die von ihnen erzeugten Schwachstellen tatsächlich die ersten Subduktionszonen initiiert haben könnten.
In den Simulationen schwächt ein Plume die darüber liegende Lithosphäre. Es bildet sich eine kreisrunde sich ausdünnende Schwachstelle von mehreren Dutzend bis hunderten Kilometern Durchmesser. Diese wird durch den Materialnachschub aus den Tiefen des Erdmantels im Laufe der Zeit gedehnt. «Um einen Ring ausweiten zu können, muss man ihn zerbrechen», erklärt der Forscher. Das gelte auch für die Haut der Erde: Die ringförmige Schwachstelle kann sich (im Modell) nur dann vergrössern, wenn die Ränder einreissen.
Wasser schmiert den Plattenrand
Die Risse pflanzen sich schliesslich in der Lithosphäre fort. Grosse Schollen davon tauchen in den weichen Mantel ab, die ersten Plattenränder entstehen. Die Zugkraft, die durch das Abtauchen dieser Schollen entsteht, setzt dann die Platte in Bewegung. Sie taucht ab, gut geschmiert durch eingeschlossenes Meerwasser der darüberliegenden Ozeane. Die Subduktion wird in Gang gesetzt – und damit die Plattentektonik. «Wasser ist als Schmiermittel eine unabdingbare Notwendigkeit, damit eine sich selbst erhaltende Subduktion in Gang kommt», sagt Gerya.
In ihren Simulationen vergleichen die Forscher unterschiedliche Temperaturbedingungen und Zustände der Lithosphäre. Dabei kommen sie zum Schluss, dass sich die Plumes-induzierte Plattentektonik wohl nur unter den Bedingungen entwickeln konnte, die im Präkambrium vor rund drei Milliarden Jahren herrschten. Damals war die Lithosphäre zwar schon dick und abgekühlt, der Mantel jedoch noch sehr heiss. Damit war genug Energie vorhanden, um die über einem Plumes liegende Lithosphäre entscheidend zu schwächen.
Wäre die Lithosphäre indessen dünn und warm gewesen, also weich, würde sich gemäss den Simulationen über dem Hut des Plumes lediglich eine ringförmige Struktur ablösen. Diese würde rasch und gleichförmig in den Mantel absinken, aber nicht zum Einreissen und Abtauchen der Lithosphäre führen und letztendlich keine Plattenränder erzeugen. Ebenso kann in den Computersimulationen unter heutigen Bedingungen mit geringeren Temperaturunterschieden zwischen Lithosphäre und Plumesmaterial nur sehr selten durch Plumes ausgelöste Subduktion entstehen, da die Lithosphäre bereits zu starr ist und der Plumes diese kaum mehr genügend schwächt.
Dominanter Mechanismus
«Unsere neuen Modelle erklären die Entstehung der Plattentektonik sehr plausibel», sagt der Geophysiker. Die Aktivität von Plumes reiche aus, um das heutige Plattenmosaik entstehen zu lassen. Gerya hält die Kraft der Plumes sogar für den dominanten Auslöser der weltweiten Plattentektonik.
Die Simulationen können auch erklären, wie sogenannte Triple Junctions entstehen, also Zonen, in denen drei Platten zusammenkommen. Eine solche Triple Junction bildet sich, indem der weiche «Deckel» oberhalb des aufstossenden Plumes in verschiedene Richtungen gedehnt wird. Eine derartige Dreifachgabelung beobachtet man zum Beispiel am Horn von Afrika im Länderdreieck Äthiopien, Eritrea und Djibouti.
Eine vergleichbare Schwächungszone und damit einen Ansatzpunkt für die weltweite Plattentektonik gibt es wahrscheinlich auch auf der modernen Erde: Eine solche sehen die Erdwissenschaftler in der Karibischen Platte. Deren Form, Lage und Ausdehnung entspricht weitgehend den Simulationen mit den neuen Modellen.
Würde man sich einzig auf Beobachtungen abstützen, dürfte der Beweis, wie die Plattentektonik auf dem Erdball eingesetzt hat, unmöglich sein. Aus der Erdfrühzeit gebe es keine geophysikalischen und nur wenige geologische Daten, und Laborexperimente seien für sehr grossräumige und sehr langfristige tektonische Prozesse nicht möglich, sagt der ETH-Forscher. «Computermodelle sind deshalb unser einziger Weg, um Vorgänge in der frühen Erdgeschichte nachzustellen und zu verstehen.»
Literaturhinweis
Gerya TV, Stern RJ, Baes M, Sobolev S, Whattam SA. Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation. Nature, published online 11th November 2015, doi: externe Seite 10.1038/nature15752