Immer in Bewegung
Die Erde als dynamisches System: Warum können Kontinente tausende Kilometer "reisen"? Petrologen wollen genau wissen, wie die Steine "wachsen"
Von Taras V. Gerya
Taras V. Gerya (Fotos: Gerya)
 | "Suchen Sie Gold?" - das ist die Frage, die ich oft im Gelände höre, wenn ich sage, dass ich Geologe bin. Nur einmal habe ich etwas Ungewöhnliches gehört. "Sind Sie Geologe? Dann erklären Sie mir bitte, wie die Steine wachsen! Die wachsen doch, oder?" - so eine Frage! "Wie die Steine wachsen?" Die richtige Antwort möchte ich natürlich auch gern wissen! Manchmal fühlen wir alle, dass unsere Erde lebendig ist. Und das Leben der Erde drückt sich durch Bewegung aus. Eine sehr lange und sehr, sehr langsame Bewegung...
Platten-Tektonik ist das Hauptsymbol dieser Bewegung der Erde in der modernen geologischen Wissenschaft. Wie wir alle wissen, ist das erste Konzept der Plattentektonik am Anfang des letzten Jahrhunderts vorgeschlagen worden: die so genannte Kontinentaldrift- Hypothese von Alfred Wegener. Trotz starker qualitativer Argumente Wegeners und weiterer Entwicklung der Kontinentaldrift- Ideen hat die Plattentektonik relativ spät (zwischen 1967 und 1970) die Unterstützung der Welt-Geologischen-Gesellschaft gewonnen. Das Hauptproblem war, dass seismische Untersuchungen auf den festen Zustand des Erdmantels hinwiesen. "Wie also kann ein fester Mantel 'Reisen' der Kontinente von mehreren tausend Kilometern erlauben? Wie soll der physische und physikalische Mechanismus einer solchen Bewegung aussehen?" Das waren die Hauptfragen, die man beantworten musste, um die Theorie der Plattentektonik aus der Kontinentaldrift-Hypothese zu entwickeln.
Zum Glück aller Geologen wurden in den 50er Jahren die Prozesse der sehr langsamen Deformation (duktiles Kriechen) von Kristallinen Materialien entdeckt. Diese Prozesse erlauben es dem Mantel, infolge thermischer Konvektion, wie flüssige Materie zu fließen und Kontinente zu bewegen. Die Viskosität des Mantels ist sehr hoch (1023 mal höher als die des Wassers). Deshalb ist eine signifikante Deformation der Erdmantel- und Krustengesteine erst ab einem Zeitraum von mindestens 10.000 Jahren möglich. Das bedeutet, über kurze Zeiträume hinweg (<< 10.000 Jahre) sind die Gesteine fest und elastisch, aber über lange Zeiträume (geologische Zeiten) betrachtet sind sie trotzdem weich und plastisch.
Die Zirkulation kann die Gesteine 50 bis 100 Kilometer absenken und auch wieder an die Erdoberfläche bringen.
 | Diese ungewöhnliche Eigenschaft der Gesteine lässt sich mit Hilfe von Ersatzmaterialien beobachten und verstehen. Für die so genannte geodynamische Modellierung wird heutzutage oft Silikon-Kitt benutzt, ein Kunststoff, den man in den Händen wie richtigen Kitt oder Lehm quetschen und formen kann. Lässt man aber ein Stück davon auf den festen Boden fallen, dann springt dieser Silikon-Kitt zurück wie ein Gummiball. Dieses erstaunliche Verhalten zeigen die Gesteine im Prinzip auch. Aber sie müssen selbstverständlich viel stärker und viel länger (wie gesagt: ungefähr 10.000 Jahre) gequetscht und deformiert werden. Fallen lassen kann man sie übrigens auch, schnell ...
Mit der Übertragung dieser Konzepte und Mechanismen der Deformation auf den Erdmantel fing die erfolgreiche Entwicklung der Theorie von der Plattentektonik an. Es entstanden eine Menge neuer Ideen und Methoden in den Geowissenschaften. Hervorzuheben ist hier u.a. die numerische Modellierung (mit Hilfe der Festkörpermechanik und Computerprogramme) geodynamischer Prozesse, die sich neben der analogen Modellierung (mit Hilfe von Ersatzmaterialien) entwickelte. Geologen wollen genau wissen, wie das alles in der Erde funktioniert! Sie wollen verstehen "wie die Steine wachsen".
Genau dieser Wunsch hat mich zur numerischen Modellierung geführt. Es gibt aber auch noch etwas... Ich kann nicht so schön malen... Und mit Hilfe der numerischen Experimente kann ich, ohne malen zu müssen, wunderschöne Bilder und sogar Filme ausarbeiten. Das ist ein richtiger Spaß - eine Millionen Jahre alte Erdgeschichte als Fünf-Minuten- Film zu sehen! Dabei gibt es immer die Möglichkeit, "die Zeit anzuhalten" und alle Stufen der Gesteinsevolution zu untersuchen. Das schätze ich sehr, denn als gelernter Petrologe interessieren mich immer die Geschichten der Gesteine, die man auf der Erde findet. Petrologe ist übrigens ein Gesteinskundler (petros = Gestein + logos = Lehre auf Altgriechisch) und hat nichts mit Erdöl zu tun (petros + oleum = Öl). Diese langen Geschichten sind teilweise in den Gesteinen selbst geschrieben. Man muss nur lernen, sie zu lesen: Gesteinsstrukturen, Deformationsspuren, Minerale und ihre zeitliche Abfolge der Bildung - das alles bringt uns wichtige Informationen. In Verbindung damit liefert uns eine geodynamische Modellierung weitere Erkenntnisse und eine Kontrolle unserer Untersuchungen: Habe ich die Gesteinsgeschichte auch richtig "gelesen"? Ist alles wirklich so passiert? Sind die erforderlichen geodynamischen Episoden überhaupt möglich? Solche Fragen kann eine numerische Modellierung teilweise beantworten. Manchmal hat man das Glück und errechnet auf dem Computerbildschirm die selbe Gesteinsgeschichte, die man zuvor auch "gelesen" bzw. mit Hilfe der geologischen und petrologischen Daten entwickelt hat.
Ruhr-Universität Bochum Abteilung Naturwissenschaften.
 | Ein Problem bezüglich solcher Modellierungen ist allerdings zu bedenken: Die Methode der geodynamischen Modellierung ist zuvor sehr gut für großräumige geophysikalische Probleme entwickelt, weil Modellierer selbst meistens Geophysiker sind. Deren Konzepte sind aber nicht so ohne weiteres übertragbar, wenn man die Geschichte individueller Gesteine und kleinräumige Gesteinsverbände untersuchen möchte. Man braucht dafür besondere Rechnungs- und Visualisierungsabläufe. Das sind aber nur technische Probleme, die relativ einfach lösbar sind, wenn man für Gesteinsevolution das richtige Interesse hat. Zusammen mit meinen deutschen Kollegen von der Ruhr-Universität Bochum haben wir unsere eigenen passenden "numerischen Werkzeuge" gemacht.
Zurzeit interessiert uns die dynamische Evolution von Diamant führenden Gesteinen, die man im östlichen Deutschland im Erzgebirge gefunden hat. Welche Prozesse haben diese Gesteine, die früher einmal oberflächennahe Sedimente waren, in so große Tiefen (>140 km) verschoben, dass Diamanten kristallisieren konnten? Welche Kraft hat sie wieder so schnell an die Oberfläche zurückgebracht, ohne dass Diamanten wieder zu graphischem Kohlenstoff werden? Auf diese Fragen hoffen wir durch unsere numerische Modellierung Antworten zu finden.
Ein anderes interessantes Problem, an dem wir auch forschen, ist die Zirkulation der Gesteine in Subduktionszonen, wo die ozeanische Kruste unter die Kontinente versinkt. So eine Zirkulation (große Skizze oben) kann die Gesteine 50 bis 100 Kilometer tief versenken und wieder zurück an die Oberfläche bringen. Als Spuren dieser "Reise" findet man charakteristische Minerale im Gestein in einer bestimmten zeitlichen Abfolge ihrer Bildung, die man durch thermodynamische Berechnungen als eine Abfolge von Druck- und Temperatur- Werten (ein so genannter P-T-Pfad ) interpretieren kann. Oft finden sich Lokalitäten mit einem Gemisch von Gesteinen, für die ganz unterschiedliche P-T-Pfade bestimmt werden (Melange). Warum? Eine numerische Simulation zeigt, dass diese verschiedenen P-T-Pfade durch Unterschiede der geometrischen Wege, die diese Gesteine im inhomogenen thermischen Feld (kleine Skizze oben) der Subduktionszone zurücklegen, entstehen. Und es ist uns jetzt ziemlich klar, welche Geschichte sich mit jedem P-T-Pfad genetisch verbindet. Das kann man nutzen, um die geodynamische Evolution alter subduktionsbezogener Gesteinskomplexe zu interpretieren.
Zu guter Letzt: Wir haben oft Spaß, wenn wir beschleunigte Filme im Fernseher oder im Kino sehen, in denen die Menschen zehn Mal schneller essen oder die Blumen tausend Mal schneller wachsen. Auf meinem Bildschirm aber bewegen sich die Gesteine mindestens zehn Milliarden Mal schneller als normal, und das finde ich auch irgendwie lustig...
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