Lösten Plumes Plattentektonik aus?

Inspiration daf¨¹r fand er unter anderem anhand von Studien der Oberfl?che des Planeten Venus. Auf diesem Planeten gab es nie Plattentektonik. Daf¨¹r beobachtete (und modellierte) Gerya auf der Venus Strukturen, die in der Fr¨¹hzeit (Pr?kambrium) der Erdgeschichte vor dem Einsetzen der Plattentektonik m?glicherweise auch auf der Erdoberfl?che zu finden waren: riesige krater?hnliche Kreise. Diese weisen vermutlich darauf hin, dass Mantelplumes vom Eisen-Kern der Venus an die Oberfl?che aufstiegen und die Haut dieses Planeten aufweichten und schw?chten. Plumes entstehen tief im Inneren der Venus, steigen bis unter deren starrer Aussenhaut auf und f¨¹hren dabei teilweise aufgeschmolzenes Mantelmaterial mit sich. Durch den Widerstand der harten Lithosph?re gebremst, breitet sich der Materialstrom seitlich aus und nimmt die Form eines Pilzes an. Die Plumes sorgten daf¨¹r, dass die Lithosph?re geschw?cht und verformt wurde.

Solche Plumes existieren wahrscheinlich auch im Erdinnern. Sie k?nnten analog zur Venus in grauer Vorzeit Schwachstellen in der Lithosph?re der Erde erzeugt haben, welche f¨¹r den Beginn der Plattentektonik n?tig waren.

Mantelplume erzeugt Schwachstelle

Zusammen mit Kollegen entwickelte der ETH-Geophysiker deshalb neue Computermodelle, mit deren Hilfe er diese Idee erstmals hochaufgel?st und dreidimensional untersuchte. Die entsprechende Publikation dar¨¹ber wurde soeben in ?Nature? ver?ffentlicht.

So zeigen die Simulationen, dass Mantelplumes und die von ihnen erzeugten Schwachstellen tats?chlich die ersten Subduktionszonen initiiert haben k?nnten.

In den Simulationen schw?cht ein Plume die dar¨¹ber liegende Lithosph?re. Es bildet sich eine kreisrunde sich ausd¨¹nnende 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 k?nnen, muss man ihn zerbrechen?, erkl?rt der Forscher. Das gelte auch f¨¹r die Haut der Erde: Die ringf?rmige Schwachstelle kann sich (im Modell) nur dann vergr?ssern, wenn die R?nder einreissen.

Wasser schmiert den Plattenrand

Die Risse pflanzen sich schliesslich in der Lithosph?re fort. Grosse Schollen davon tauchen in den weichen Mantel ab, die ersten Plattenr?nder 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 dar¨¹berliegenden Ozeane. Die Subduktion wird in Gang gesetzt ¨C 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 Zust?nde der Lithosph?re. Dabei kommen sie zum Schluss, dass sich die Plumes-induzierte Plattentektonik wohl nur unter den Bedingungen entwickeln konnte, die im Pr?kambrium vor rund drei Milliarden Jahren herrschten. Damals war die Lithosph?re zwar schon dick und abgek¨¹hlt, der Mantel jedoch noch sehr heiss. Damit war genug Energie vorhanden, um die ¨¹ber einem Plumes liegende Lithosph?re entscheidend zu schw?chen.

W?re die Lithosph?re indessen d¨¹nn und warm gewesen, also weich, w¨¹rde sich gem?ss den Simulationen ¨¹ber dem Hut des Plumes lediglich eine ringf?rmige Struktur abl?sen. Diese w¨¹rde rasch und gleichf?rmig in den Mantel absinken, aber nicht zum Einreissen und Abtauchen der Lithosph?re f¨¹hren und letztendlich keine Plattenr?nder erzeugen. Ebenso kann in den Computersimulationen unter heutigen Bedingungen mit geringeren Temperaturunterschieden zwischen Lithosph?re und Plumesmaterial nur sehr selten durch Plumes ausgel?ste Subduktion entstehen, da die Lithosph?re bereits zu starr ist und der Plumes diese kaum mehr gen¨¹gend schw?cht.

Dominanter Mechanismus

?Unsere neuen Modelle erkl?ren die Entstehung der Plattentektonik sehr plausibel?, sagt der Geophysiker. Die Aktivit?t von Plumes reiche aus, um das heutige Plattenmosaik entstehen zu lassen. Gerya h?lt die Kraft der Plumes sogar f¨¹r den dominanten Ausl?ser der weltweiten Plattentektonik.

Die Simulationen k?nnen auch erkl?ren, 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 L?nderdreieck ?thiopien, Eritrea und Djibouti.

Eine vergleichbare Schw?chungszone und damit einen Ansatzpunkt f¨¹r 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.

W¨¹rde man sich einzig auf Beobachtungen abst¨¹tzen, d¨¹rfte der Beweis, wie die Plattentektonik auf dem Erdball eingesetzt hat, unm?glich sein. Aus der Erdfr¨¹hzeit gebe es keine geophysikalischen und nur wenige geologische Daten, und Laborexperimente seien f¨¹r sehr grossr?umige und sehr langfristige tektonische Prozesse nicht m?glich, sagt der ETH-Forscher. ?Computermodelle sind deshalb unser einziger Weg, um Vorg?nge in der fr¨¹hen Erdgeschichte nachzustellen und zu verstehen.?