Plattentektonik

Nach der Nebular-Hypothese entstand das Sonnensystem aus einer rotierenden solaren Gaswolke (Nebula) von Wasserstoff und Helium. Einhergehend mit der Kontraktion aufgrund der Gravitationskraft zwischen den Gasteilchen beschleunigte sich die Rotation der Nebula, die sich daher unter Aufheizung, v.a. im Zentrum, zu einer Scheibe verformte. Unter Wirkung der Gravitation entstand im Zentrum die Protosonne, deren Materie unter hohem Druck verdichtet und aufgeheizt wurde, so dass die bis heute ablaufende Kernfusionen einsetzen konnten.

Die restliche Materie der ursprünglichen Nebula umgab die Protosonne als Akkretionsscheibe. Nach Entstehung der Nebulascheibe kühlte diese in der Peripherie allmählich ab und die Gasteilchen kondensierten. Durch die allgegenwärtige Gravitationskraft entstanden schließlich kilometergroße, solide Planetesimale, welche mehrfach kollidierten, und schließlich die neun Planeten auf ihren heutigen Umlaufbahnen hervorbrachten. Die Planetenentstehung soll sich in weniger als 100 Mio. Jahren vor ca. 4.56 Mrd. Jahren vollzogen haben, wie sich aus Meteoriten ableiten lässt.

Die vier terrestrischen oder inneren Planeten des Sonnensystems bestehen daher vorwiegend aus schweren Metallen und gesteinsbildenden Verbindungen höherer Dichte, da leichtflüchtige Substanzen (Wasser, He, H₂) in der Nähe der Sonne nicht (in nennenswerten Mengen) kondensieren konnten, sondern vom Sonnenwind weggeblasen wurden.

Nach Ansicht vieler Wissenschaftler kollidierte die junge Erde ca. 20 Mio Jahre nach ihrer Entstehung mit einem Planetesimal von etwa der doppelten Masse des Mars („Thaja“). Dabei wurde der Großteil der soliden Masse geschmolzen. Aus einem Teil des abgesprengten Materials ist der Mond entstanden. Außerdem soll die Rotationsachse der Erde von ursprünglich senkrechter Position zur Umlaufbahn auf den heutigen Neigungswinkel von durchschnittlich 23° gekippt und die Rotationsgeschwindigkeit erhöht worden sein. Die ältesten Mondgesteine aus den Apollo-Missionen sind 4.46 Mrd. Jahre alt, die ältesten Meteoriten wie gesagt 4.56 Mrd. Jahre. Man geht heute von einem Erdalter von 4.53 Mrd. Jahren aus.

Neben diesem Impact und Meteoriteneinschlägen führten radioaktive Zerfälle zur Aufheizung der Erde. Das Erdmaterial soll zeitweise zu 30-65% in flüssigem Zustand als Magma-Ozean eine hunderte Kilometer dicke äußere Schicht gebildet haben. Außerdem soll der innere Erdbereich in einer annähernd flüssigen Phase vorgelegen haben, so dass dichteres Material zum Erdmittelpunkt absank. Mit dem aufsteigenden leichteren Material wurde auch Wärmeenergie in die Peripherie transportiert, so dass die Erde abkühlte. Schließlich lagen Erdkern (hauptsächlich Eisen), Erdmantel (Gesteine mittlerer Dichte, v.a. O-Verbindungen mit Mg, Fe, Si) und Erdkruste (niedrig schmelzende Oxide von Si, Al, Ca, Fe, Na, Mg, K) vor, aus der angenommenen homogenen Urerde entstand also der geschichtet aufgebaute Planet von heute. Der innere Kern (5150-6370 km) ist aufgrund hohen Druckes fest, der äußere (2891-5150 km) liegt in flüssiger Phase vor. Erdmantel (40-2891 km) und Erdkruste sind fest.

Die Bildung der Kontinente resultierte aus dem mehrfachen Aufschmelzen und Erstarren der Erdkruste. Dabei wurden die leichteren Materialien allmählich nach oben abgetrennt und bildeten die Kerne der Kontinente. Durch atmosphärische Komponenten wurde dieses Material wiederholt in niedriger Gelegene Gebiete transportiert (Sedimentbildung), so dass letztlich die Kontinente entstanden.

Für die Entstehung von Atmosphäre und Ozeanen existieren zwei Hypothesen. Zum einen könnten Wasser und Gase mit zahlreichen Meteoriten und Kometen auf die Erde befördert worden sein, die innerhalb von 200 Mio. Jahren nachweislich auf die Erde niedergingen. Andererseits könnten in Mineralen eingeschlossene Elemente (H, N, C, O) in Form von CO₂, H₂O,(g), N₂, CH₄ u.a. über Magma bei Vulkanausbrüchen an die Erdoberfläche befördert worden sein. Es steht also eine extraterrestrische einer terrestrischen Entstehungshypothese gegenüber. Diese Uratmosphäre verdrängte die primäre aus H₂ und He und wurde selbst erst mit der Entwicklung der Photosynthese durch die heutige O₂-haltige tertiäre Atmosphäre ersetzt.

1) Die Platten werden durch ihr Eigengewicht durch den seitlichen Druck an den Spreading-Zonen geschoben (ridge push) bzw. durch das Gewicht der kalten Platte größerer Dichte an den Subduktionszonen nach unten gezogen (slab pull).

2) Die Platten werden passiv von den asthenosphärischen Konvektionsströmungen mitgeschleppt.

3) Die Platten selbst sind die abgekühlten Oberflächen der Konvektionsströmungen.

4) Sog. Hot Spots aus dem tiefen Erdinnern steigen an die Oberfläche auf und schleppen die Platten bei der lateralen Verteilung passiv mit. Auf der anderen Seite tauchen subduzierte Lithosphärenbereiche als Rückstrom in große Tiefen ab.

Divergierende Plattengrenzen liegen zumeist in Form mittelozeanischer Rücken in der ozeanischen Lithosphäre. Der entstehende Raum zwischen den auseinanderweichenden Platten wird mit Magma der Asthenosphäre aufgefüllt. Dieser mit Vulkanismus und Erdbeben verbundene Vorgang wird als Seafloor-Spreading bezeichnet. Plattentrennung auf den Kontinenten führt zu Rift-Valleys, langgestreckte, durch vulkanische Aktivität und Erdbeben gekennzeichnete Grabensysteme.

Auf der anderen Seite taucht an konvergierenden Plattengrenzen eine Lithosphärenplatte unter die andere, es findet Subduktion statt. Dabei taucht eine ozeanische Platte unter einer kontinentalen in die Asthenosphäre, da das kontinentale Material die niedrigere Dichte aufweist (s.o.). Dies ist der Grund für das sehr hohe Alter der kontinentalen Gesteinsformationen und dem relativ jungen Höchstalter von Gestein der ozeanischen Lithosphäre. In Subduktionszonen entsteht immer eine Tiefseerinne (Tiefen bis 10,000 m), der Rand der Kontinentalplatte wird gefaltet, es entsteht parallel zur Tiefseerinne eine Gebirgskette. Teile der subduzierten Ozeanplatte können abgeschürft und der Kontinentalplatte als sog. Akkretionskeile angelagert werden, außerdem wird Material der Ozeanplatte in der Asthenosphäre geschmolzen, steigt auf und erstarrt als Tiefengestein in der Erdkruste bzw. steigt als Magma an die Oberfläche der Kontinentalplatte (Vulkanbildung). Dies erklärt, warum die Lithosphäre in der Kontinentalplatten wesentlich dicker ist, als in den ozeanischen Lithosphärenplatten. Treffen zwei kontinentale Platten aufeinander, so findet aufgrund der niedrigen Dichte des kontinentalen Materials kein Abtauchen statt. In diesem Fall summieren sich die Mächtigkeiten der Kontinentallithosphärenplatten, wie mit dem Himalaja-Gebirge an der Grenze zw. Indien und Eurasien demonstriert wird.

An sog. Transformationsstörungen gleiten zwei Plattengrenzen in horziontaler Richtung aneinander vorbei. Da dies nicht kontinuierlich, sondern ruckartig geschieht, sind heftige Erdbeben in dem Gebiet die Folge.

Auf dem Meeresboden findet man ein nahezu symmetrisches Streifenmuster unterschiedlicher Magnetisierung des Gesteins, wobei der mittelozeanische Rücken die Symmetrieachse darstellt. Erstarrende Magma (Basaltergüsse) wurde je nach zum Zeitpunkt der Erstarrung vorliegender Feldrichtung des Erdmagnetfeldes (dieses wechselte unregelmäßig in erdgeschichtlicher Vergangenheit) magnetisiert. Vergleich der Magnetisierungen mit datierbaren Laven auf den Kontinenten erlaubt eine Altersbestimmung von Ozeanplattenbereichen und damit eine Berechnung der Geschwindigkeit der Plattenbewegung. In Verbindung mit Fossilienfunden kann gezeigt werden, dass die ältesten Gesteine der Ozeanplatte am weitesten vom mittelozeanischen Rücken entfernt sind. Das Magnetisierungsmuster ist also ein Beweis für das Seafloor-Spreading. Die Ergebnisse aus den magnetischen Anomalien und daraus abgeleiteten Isochronen (Sedimentfronten gleichen Alters) der ozeanischen Platten, die bereits in den 1940er Jahren von US-amerikanischen Wissenschaftlern erzielt wurden, werden durch aktuelle GPS-Messungen bestätigt.

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Plattentektonik
Die Theorie der Plattentektonik basiert auf der Vorstellung, dass die Lithosphäre keine durchgehende Schale ist, sondern in mehrere starre Platten zerlegt ist, die sich auf der Asthenosphäre bewegen. Als Lithosphäre wird der obere 100-200 km Bereich von Erdkruste und Erdmantel bezeichnet. Sie ist starr, also unverformbar, aber zerbrechlich. Die Asthenosphäre ist größtenteils fest wie die Lithosphäre, jedoch plastisch, also verformbar, da die Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des Gesteins liegen und ein hoher Druck herrscht. Die Asthenosphäre ist ebenfalls 100-200 km mächtig. Für die Ursache der Plattenbewegung werden 4 Hypothesen diskutiert, die alle Konvektionsströmungen im Erdmantel voraussetzen: das Erdinnere – noch immer heiß – erwärmt Material, das aufgrund niedrigerer Dichte aufsteigt. Mit zunehmender Entfernung vom Erdmittelpunkt kühlt das Material wieder ab: die Dichte wird größer, schließlich sinkt das Material wieder ab.
	Seafloor-Spreading und Isochronen
1) Die Platten werden durch ihr Eigengewicht durch den seitlichen Druck an den Spreading-Zonen geschoben (ridge push) bzw. durch das Gewicht der kalten Platte größerer Dichte an den Subduktionszonen nach unten gezogen (slab pull). 2) Die Platten werden passiv von den asthenosphärischen Konvektionsströmungen mitgeschleppt. 3) Die Platten selbst sind die abgekühlten Oberflächen der Konvektionsströmungen. 4) Sog. Hot Spots aus dem tiefen Erdinnern steigen an die Oberfläche auf und schleppen die Platten bei der lateralen Verteilung passiv mit. Auf der anderen Seite tauchen subduzierte Lithosphärenbereiche als Rückstrom in große Tiefen ab. Divergierende Plattengrenzen liegen zumeist in Form mittelozeanischer Rücken in der ozeanischen Lithosphäre. Der entstehende Raum zwischen den auseinanderweichenden Platten wird mit Magma der Asthenosphäre aufgefüllt. Dieser mit Vulkanismus und Erdbeben verbundene Vorgang wird als Seafloor-Spreading bezeichnet. Plattentrennung auf den Kontinenten führt zu Rift-Valleys, langgestreckte, durch vulkanische Aktivität und Erdbeben gekennzeichnete Grabensysteme. Auf der anderen Seite taucht an konvergierenden Plattengrenzen eine Lithosphärenplatte unter die andere, es findet Subduktion statt. Dabei taucht eine ozeanische Platte unter einer kontinentalen in die Asthenosphäre, da das kontinentale Material die niedrigere Dichte aufweist (s.o.). Dies ist der Grund für das sehr hohe Alter der kontinentalen Gesteinsformationen und dem relativ jungen Höchstalter von Gestein der ozeanischen Lithosphäre. In Subduktionszonen entsteht immer eine Tiefseerinne (Tiefen bis 10,000 m), der Rand der Kontinentalplatte wird gefaltet, es entsteht parallel zur Tiefseerinne eine Gebirgskette. Teile der subduzierten Ozeanplatte können abgeschürft und der Kontinentalplatte als sog. Akkretionskeile angelagert werden, außerdem wird Material der Ozeanplatte in der Asthenosphäre geschmolzen, steigt auf und erstarrt als Tiefengestein in der Erdkruste bzw. steigt als Magma an die Oberfläche der Kontinentalplatte (Vulkanbildung). Dies erklärt, warum die Lithosphäre in der Kontinentalplatten wesentlich dicker ist, als in den ozeanischen Lithosphärenplatten. Treffen zwei kontinentale Platten aufeinander, so findet aufgrund der niedrigen Dichte des kontinentalen Materials kein Abtauchen statt. In diesem Fall summieren sich die Mächtigkeiten der Kontinentallithosphärenplatten, wie mit dem Himalaja-Gebirge an der Grenze zw. Indien und Eurasien demonstriert wird. An sog. Transformationsstörungen gleiten zwei Plattengrenzen in horziontaler Richtung aneinander vorbei. Da dies nicht kontinuierlich, sondern ruckartig geschieht, sind heftige Erdbeben in dem Gebiet die Folge.

Erdentstehung
Plattentektonik