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Dynamic Earth Evolution and Paleogeography through Tomographic Imaging of the Mantle

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Gemeinsame Betrachtung von Geologie und Geophysik der ozeanischen Subduktion

Die Meeresböden bergen Hinweise auf das tiefe Innere der Erde. Doch unter Fachleuten der Geologie und Geophysik herrscht oft Uneinigkeit über ihre richtige Auswertung. In einer Neubewertung weltweiter Beobachtungsdaten gleicht DEEP TIME die Oberflächen- und Zwischenwasserdatensätze der ozeanischen Subduktion ab.

Grundlagenforschung

Der Meeresboden birgt wertvolle Informationen über den inneren Motor der Erde, wo durch Mantelkonvention Wärme in Bewegung umgewandelt wird. Material aus dem Erdmantel wird durch die Plattentektonik gelöst und durch Subduktion, bei der sich eine Platte der Erdkruste unter eine andere schiebt, wieder zurück in den Erdmantel transportiert. „Der Meeresboden hat sich im Laufe der Zeit konstant erneuert. Wir wissen zwar, wie sich die Kontinente nach der Abspaltung von dem Superkontinent Pangaea vor rund 250 Millionen Jahren gebildet haben, doch die zwei Drittel der Erdoberfläche, die einst von Ozeanen bedeckt waren, sind noch völlig unbekannte Größen“, erklärt die Projektkoordinatorin von DEEP TIME, Karin Sigloch vom französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung, an dem das Projekt durchgeführt wurde. Das Problem besteht darin, dass die Oberflächenwasserdaten vom Meeresboden durch die Subduktion ausgelöscht wurden. Hier setzte das vom Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt DEEP TIME an. Ziel war es, den Oberflächenzustand des Meeresbodens aus dem Paläozoikum zu rekonstruieren, und dadurch zu klären, wie die Kontinente und Plattengrenzen entstanden sind. Den Ausgangspunkt für das Projektteam bildete dabei die kontroverse Hypothese, dass der Erdmantel sich gleichmäßig verhält, um Prognosen und damit entsprechend eine rückberechnete Modellierung zuzulassen. Entscheidend dafür war die Analyse von sogenannten Plattenzungen („Slabs“) – Meeresplatten, die in den Erdmantel zurückgeschoben wurden und sich beim Absinken zum Erdkern verformten. Sie sind ein Spiegel der Umwelt, in der sie geformt wurden, und können daher Hinweise auf den Einfluss von Meeresgräben, Plattenbewegungen und Manteldynamik geben. Durch die Erstellung von schärferen tomografischen Aufnahmen des unteren Mantelteils konnte DEEP TIME Interpretationsfehler bei früheren, unschärferen Aufnahmen ausmachen und so den Bestand an Relikten der Subduktion verbessern.

„Tomotektonik“ als neuer Ansatz

DEEP TIME griff eine verworfene Hypothese auf, nach der Plattenzungen in Meeresgräben absanken und über mehrere zehn Millionen Jahre statisch blieben. In der Fachwelt war man sich demgegenüber zunehmend einig geworden, dass sowohl der Erdmantel als auch die subduktionsbedingte Geologie wesentlich komplizierter und vielfältiger sind. „Wir gingen von einem einfacheren und gleichförmigeren Planeten aus, wobei wir Oberflächen- und Zwischenwasserdaten in einem Ansatz verknüpften, für den wir den Begriff ‚Tomotektonik‘ verwenden“, fügt Sigloch hinzu. Bei der Neubewertung von Datensätzen aus der globalen seismischen Subduktionstomografie bis in eine Tiefe von gut 2 000 km – was 200 Millionen Jahren entspricht – konnte das Team die Hypothese nicht zurückweisen, dass massive, verdickte Plattenzungen ganz einfach nach unten eingesunken waren und im Erdmantel stabil blieben. „Eine befriedigende Feststellung, denn sie entspricht den Vorhersagen der Geophysik, die den neueren, komplizierten Auslegungen der Beobachtungen vorausgegangen waren“, merkt Sigloch an. Das Team gelangte außerdem zu der Ansicht, dass Subduktionszonen ihren Ursprung vorwiegend in Meeresbecken haben, wo sie statisch bleiben, bis ein driftender Kontinent in ihren Zug gerät. Durch solche Kollisionen häuft sich Material aus den Gräben am Kontinentalrand an, wodurch die Subduktionszone entweder zerstört oder in einen dem Rand vorgelagerten Graben umgewandelt wird. „Es ist eine Genugtuung, neues Wissen zur Dynamik von kontinuierlich wachsenden Kontinenten beisteuern zu können“, so Sigloch. „Die meisten geologisch untersuchten Subduktionszonen befinden sich an kontinentalen Küstenlinien. Die Tatsache, dass es sich dabei um einstige Gräben handelt, die der Küste vorgelagert waren, wird dabei generell unterschätzt.“ Das Team stellte außerdem fest, dass Plattenzungen ein viel längeres „Gedächtnis“ besitzen als bisher vermutet, das möglicherweise mehr als 300 Millionen Jahre zurückreicht.

Ein Ozean mehr

Ein faszinierendes Ergebnis aus der Neubewertung der paläografischen Daten durch DEEP TIME ist die Vermutung eines „zusätzlichen Ozeanbeckens“, das im Zeitalter der Dinosaurier westlich des amerikanischen Kontinents existiert haben soll. Dazu gab es zwar bereits einmal eine Hypothese, die allerdings weitgehend verworfen wurde, da seine westlichen Grenzen keinen einzelnen großen Kontinent umschlossen, sondern vielmehr mehrere Gräben mit Mikrokontinenten. „Das ist eine ganz maßgebliche Kehrtwende. Dieses Ozeanbecken hätte das Klima geprägt, zur Diversifizierung verschiedener Arten geführt und hätte vor allem die natürlichen Ressourcen hervorgebracht, die die Anfänge der amerikanischen Wirtschaft begründeten, wie zum Beispiel beim Goldrausch“, so Sigloch. Die Arbeit von DEEP TIME hat Fragen der Komplexität vom tiefen Zwischenwasser zum seichteren Oberflächenwasser verlagert. „Das Mantelverhalten ist zwar relativ simpel, die Grabengeometrien an der Oberfläche jedoch sehr komplex, sodass es schwierig ist, von der Oberfläche alleine auf Einzelheiten über die Vergangenheit zu schließen. Im Erdmantel ist die tiefe Geschichte jedoch eindeutig verankert. Indem wir beides zusammenführen, können wir mit unserer Arbeit retrospektive Vorhersagen erleichtern“, so Sigloch abschließend.

Schlüsselbegriffe

DEEP TIME, Subduktion, Pangaea, Meeresboden, Kontinent, Ozean, Mantel, Plattentektonik, Tomografie, Tomographie, Rückberechnung, retrospektive Vorhersage, Hindcast

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