Ablösen und heben statt bulldozern

Lange gingen Erdwissenschaftler davon aus, dass die Alpen durch den Zusammenprall der adriatischen Platte im Süden und der europäischen Platte im Norden entstanden sind. Gemäss dieser Lehrbuchmeinung schiebt die adriatische Platte Gesteinsmaterial wie ein Bulldozer vor sich her und türmt damit das Gebirge auf. Dessen Last drückt dann die darunterliegende kontinentale Platte nach unten. Als Folge davon bildet sich auf der Kruste angrenzend an das Gebirge ein Trog – das Schweizer Mittelland. Dieser Trog sinkt im Lauf der Zeit mit dem Rest der Platte tiefer ab.

Doch vor wenigen Jahren äusserten der ETH-Geophysiker Edi Kissling sowie Fritz Schlunegger, ein Sedimentspezialist von der Universität Bern, aufgrund neueren geophysikalischen und geologischen Daten Zweifel an dieser Theorie. Die beiden Forscher postulierten deshalb einen alternativen Alpenbildungsmechanismus.

Unveränderte Topografie und Höhe machten stutzig

So zeigten Kissling und Schlunegger auf, dass die Topografie und die Höhe der Alpen während der vergangenen 20 Mio. Jahren nahezu unverändert blieben. Der Mittelland-Trog hingegen senkte sich weiter ab. Dies deutet laut den Forschern darauf hin, dass die Entstehung der Zentralalpen und die Absenkung des Troges nicht wie bislang angenommen miteinander verbunden sind. Denn falls sich der Trog auf Grund des Zusammenpressens zweier Platten gebildet hätte, müsste es Hinweise für ein stetiges Wachstum der Alpen geben - denn die Kollision der Platten, die Bildung des Trogs und die Höhe des Gebirges sind gemäss früherem Verständnis der Alpenentstehung miteinander gekoppelt.

Eine mögliche neue Erklärung liefert das Verhalten der europäischen Platte. Zunächst schiebt sich der ozeanische Teil der europäischen Platte unter die Adriatische Mikroplatte im Süden. Als dann die Subduktion soweit fortgeschritten ist, dass der kontinentale Teil der europäischen Platte mit der Adriatischen Mikroplatte zu kollidieren beginnt, löst sich in diesem Bereich die obere, leichtere Erdkruste von der schwereren, darunterliegenden Mantellithosphäre. Während die Erdkruste aufgrund des geringeren Gewichts auftaucht und damit die Alpen buchstäblich aus der Taufe heben, sinkt die Mantellithosphäre weiter in den Erdmantel ab und zieht damit den angrenzenden Teil der Platte nach unten.

Das ist möglich, weil die Alpen aus Gneisen und Granit zusammengesetzt sind. Diese Krustengesteine sind deutlich leichter als der Erdmantel, in den die untere Schicht der Platte, die Mantellithosphäre abtaucht. «Dadurch entstehen starke Auftriebskräfte, welche die Alpen herausheben», erläutert Edi Kissling. «Die Alpen haben sich also aufgrund dieser Auftriebskräfte gebildet, und nicht durch den Bulldozereffekt aufgrund der Kollision der beiden Kontinentalplatten.»

Neues Modell bestätigt Auftriebshypothese

Um die Auftriebshypothese zu untersuchen, hat nun Luca Dal Zilio, ehemaliger Doktorand bei ETH-Geophysikprofessor Taras Gerya, in Zusammenarbeit mit Edi Kissling und weiteren ETH-Forschern ein neues Modell entwickelt. Am ETH-Grossrechner «Euler» hat Dal Zilio dann die Millionen von Jahren dauernden plattentektonischen Vorgänge in der Subduktionszone unter den Alpen und die damit einhergehenden Erdbeben simuliert.

«Die grosse Herausforderung bei diesem Modell ist das Überbrücken der Zeitskalen. Es berücksichtigt sekundenschnelle Verschiebungen, die sich in Erdbeben äussern, genauso wie Verformungen von Kruste und Mantellithosphäre im Laufe von Jahrtausenden», sagt Dal Zilio, der Erstautor der Studie ist, die soeben in der Fachzeitschrift «Geophysical Review Letters» erschien.

Die Simulation in einzelnen Schritten:

Vor 37 Millionen Jahren ist die Subduktion des schwereren ozeanischen Teils der Europäischen Platte (von links) unter die leichtere kontinentale Adriaplatte (rechts) im Süden voll im Gang. Über der Nahtstelle hat sich ein Gebirge (gelb, gestreift) gebildet, das erst als vereinzelte Inseln über Meeresniveau hinausragt. Hellgrün: Erdmantel; grünes Band: Lithosphäre; dunkelgrünes, schmales Band: ozeanische Kruste; rosa-weinrote Streifen: Untere Kruste. Graue Streifen: Obere Kruste.

In den nächsten Jahr-Millionen verstärkt sich die Krümmung der ozeanischen Platte, sie rollt sich quasi ein. Als Ganzes bewegt sich europäische Platte nicht von der Stelle. Dadurch entwickelt die abtauchende Platte eine Sogwirkung auf die viel kleinere Adriaplatte, was diese nordwärts (im Bild nach links) zieht.

Als die Subduktion soweit fortgeschritten ist, dass der leichtere kontinentale Teil der europäischen Platte mit der Adriatischen Mikroplatte zu kollidieren beginnt, löst sich in diesem Bereich die obere, leichtere Erdkruste von der schwereren, darunterliegenden Mantellithosphäre. Während die Erdkruste aufgrund des geringeren Gewichts auftaucht, sinkt die Mantellithosphäre weiter in den Erdmantel ab und zieht damit den angrenzenden Teil der Platte nach unten.

Ein entscheidender Moment vor 30 Mio. Jahren vor unserer Zeit: Der vorderste Teil der eingetauchten Platte bricht ab. Dadurch verringert sich deren gigantisches Gewicht. Sie entspannt sich wie eine Blattfeder und zieht sich zurück. Das verstärkt die Heraushebung des Gebirges, das fast bis zur heutigen Höhe aufsteigt.

Die Subduktion der Restplatte setzt sich fort, wenn auch langsamer. Die Adriaplatte wird weiter nach Norden gesogen. An der Oberfläche halten sich Hebung und Abtragung die Waage, sodass die Alpen während der letzten 30 Mio. Jahren ungefähr gleich hoch bleiben.

Das Modell, so Edi Kissling, könne die von ihm und seinem Kollegen postulierten Hebungsprozesse sehr gut nachstellen. «Der grosse Vorteil dieses Modells ist, dass es dynamisch ist», sagt er. Frühere Modelle hätten einen eher starren oder mechanischen Ansatz verfolgt, der Veränderungen im Verhalten der Platten nicht berücksichtigte. «Alle unsere bisherigen Beobachtungen stimmen mit diesem Modell überein», betont der Geophysiker.

Dem Modell liegen physikalische Gesetze zugrunde. So scheint zwar die europäische Platte nach Süden hin abzutauchen. Entgegen dem normalen Modell einer Subduktion bewegt sie sich hingegen nicht in diese Richtung, denn die Lage des Kontinents bleibt stabil. Das zwingt die subduzierende Lithosphäre dazu, gleichzeitig nach Norden zurückzuweichen. Dadurch übt die europäische Platte einen Sog auf die relativ kleine adriatische Platte aus. Diese sei vergleichbar mit einem untergehenden Schiff. Der Sog, der dabei entstehe, sei sehr stark, erklärt der ETH-Professor. Und er reiche aus, um die kleinere Adriatische Mikroplatte anzusaugen und mit der Kruste der Europäischen Platte kollidieren zu lassen. «Der Mechanismus, welcher die Platten in Gang setzt, ist also kein Schieben, sondern ein Ziehen.» Der Motor hinter diesem Sog sei letzten Endes nichts Anderes als die Gravitation, die auf die abtauchende Platte wirke.

Seismizität neu betrachtet

Darüber hinaus bildet das Modell auch die Erdbebenverteilung, die sogenannte Seismizität, in den Zentralalpen, dem Mittelland-Trog und unter der Po-Ebene ab. «Unser Modell ist denn auch der erste Erdbebensimulator für die Schweizer Zentralalpen», sagt Dal Zilio.

Gemäss dem Modell unterscheidet sich die Seismizität unter den Alpen stark von derjenigen, die unterhalb des Mittellandtrogs, dem Jurabogen sowie der Po-Ebene vorherrscht. Erdbeben treten demnach gehäuft und in geringer Tiefe unter den Alpen auf, unter dem Mittellandtrog und dem Jura aber kommen sie hingegen seltener und in grösserer Tiefe vor.

Der Vorteil dieses Erdbebensimulators ist, dass er eine sehr lange Zeitspanne umfasst. Damit bildet er auch sehr starke Beben ab, die äusserst selten auftreten.

«Heutige seismische Modelle beruhen auf Statistik», sagt Dal Zilio. «Unser Modell hingegen basiert auf geophysikalischen Gesetzen und berücksichtigt deshalb auch Beben, die nur einmal in hunderten von Jahren auftreten.» Die aktuellen Erdbebenstatistiken würden solche Erdbeben eher unterschätzen. Die neuen Simulationen verbessern daher die Einschätzung der Erdbebengefährdung in der Schweiz.

Das hat auch eine hohe praktische Bedeutung: Gefährdungsmodelle fliessen unter anderem in Vorschriften und Richtlinien zum erdbebensicheren Bauen oder in die Katastrophenvorsorge ein. Dennoch wird es weiterhin nicht möglich sein vorherzusagen, wo und wann welche Erdbeben auftreten werden. «Niemand kann bisher eine zuverlässige Erdbebenvorhersage machen», betont Dal Zilio. «Auch unser Modell kann das nicht.»