Wie bildet sich die kontinentale Kruste der Erde? Eine neue Bottom-Up-Theorie
Die McMillan Spires im Bundesstaat Washington bestehen aus metamorphen Gesteinen, die als Granulite bekannt sind und bei Druck- und Temperaturbedingungen äquilibriert wurden, die typisch für kontinentale Unterkruste sind. Bild: John Scurlock/Jagged Ridge Imaging
Tief unter den Aleuten in Alaska, dort, wo Druck und Temperaturen so hoch sind, dass das Gestein zu fließen beginnt, entsteht neue kontinentale Kruste.
Wissenschaftler glauben schon lange, dass sich kontinentale Kruste in Vulkanbögen bildet – sie wissen, dass das Magma, das in den Vulkanen der Bögen aufsteigt, geochemisch sehr ähnlich zu kontinentaler Kruste ist. Die offene Frage war jedoch, wie genau das geschieht. Während das Magma, das die Oberfläche erreicht, der kontinentalen Kruste ähnlich ist, unterscheidet sich die untere Kruste unter den Vulkanbögen deutlich von der unteren Hälfte der kontinentalen Kruste.
Eine neue Studie, die diese Woche in Nature Geoscience erscheint, stellt eine populäre Theorie in Frage und liefert neue Unterstützung für eine andere, nach der Bogenlava von der Oberfläche und flache „Plutons“ – Magma, das ohne Ausbruch erstarrt ist – an Subduktionszonen in die Erde gezogen werden und dann nach oben steigen, um sich am Boden der Bogenkruste zu sammeln wie Dampf an einer Küchendecke. Wissenschaftler haben überzeugende Beweise dafür gefunden, dass auf diese Weise der größte Teil der unteren kontinentalen Kruste in der Erdgeschichte entstanden sein könnte.
Relamination von subduziertem Sediment.
Der Prozess, der als Relamination bezeichnet wird, beginnt am Rand einer Kontinentalplatte, wo eine ozeanische Platte unter die Kontinentalplatte eintaucht und Magma aufsteigt, um einen Vulkanbogen zu bilden. Während die ozeanische Platte abtaucht, schleppt sie Sediment, Lava und plutonisches Gestein vom Rand des Bogens herunter. Während des Absinkens des Bogenmaterials werden die darin enthaltenen Mineralien durch den steigenden Druck und die Hitze instabil und unterliegen chemischen Veränderungen. Es bilden sich neue Mineralien, und Gesteins- und Sedimentbrocken können abreißen. Wenn diese Brocken dichter sind als das sie umgebende Mantelgestein, sinken sie weiter. Aber wenn sie weniger dicht sind, wie z. B. bei der Bildung von kieselsäurereichen Granuliten, bekommen sie Auftrieb und schweben nach oben, bis sie den Boden der Bogenkruste erreichen und sich dort ansammeln.
„Sedimente sind in der kontinentalen Unterkruste wirklich gut vertreten, aber wie sind sie auf den Boden des Kontinents gekommen? Der einfachste Weg ist, dass dieses Sediment eine Subduktionszone hinuntergeschoben wird und aufsteigt, um sich an der Basis der Kruste zu akkumulieren“, sagt Peter Kelemen, Geochemiker am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University und Autor der Arbeit zusammen mit Mark Behn von der Woods Hole Oceanographic Institution.
Sampling the Earth’s Crust
Um herauszufinden, wie sich Bogenkruste in kontinentale Kruste verwandeln könnte, untersuchten Kelemen und Behn die einzigen zwei bekannten Stellen, an denen ein kompletter Abschnitt der unteren Bogenkruste an Land sichtbar ist. Die eine Stelle, in Pakistan, war durch die uralte Kollision der tektonischen Platten zwischen Indien und Asien eingefangen und in steile Berge geschoben worden. Der andere, der Talkeetna-Bogen, der sich von der Alaska-Halbinsel bis nach Valdez erstreckt, wurde am Rande Nordamerikas hochgeschoben.
„Normalerweise bekommen wir die Böden der unteren Kruste von Bögen nicht zu sehen, aber in Alaska und Pakistan können wir bis auf den Grund sehen. Diese alten Bögen haben sich gebildet, sind auf Nordamerika gestürzt, haben sich auf die Seite gedreht und wurden über Millionen von Jahren erodiert. Weil sie gekippt sind, können wir vom Meeresboden aus bis in den Erdmantel hinabsteigen“, sagt Kelemen.
Entlang dieser freiliegenden Krustenbögen nahmen die Wissenschaftler Proben, um zu sehen, wie sich die geochemische Zusammensetzung des Gesteins mit zunehmender Tiefe in der Kruste verändert. Sie waren in der Lage, Mineralien zu extrahieren, die den Druck und die Temperatur an dem Punkt aufgezeichnet hatten, an dem die Mineralien tief unter der Erde kristallisierten, und so markierten, wie tief das Gestein an jedem Punkt war.
Die Wissenschaftler fanden signifikante Veränderungen in der Krustenzusammensetzung etwa auf halbem Weg in die Bogenkruste hinein.
In der unteren Hälfte der Bogenkruste, beginnend etwa 20 Kilometer unter der ursprünglichen Oberfläche, war die durchschnittliche Konzentration „inkompatibler“ Spurenelemente – Elemente wie Tantal und Kalium, die während der Kristallisation bevorzugt in der Schmelze verbleiben – deutlich geringer als in der unteren kontinentalen Kruste in der gleichen Tiefe. Nur die oberen 20 Kilometer der Bogenkruste wiesen eine ähnliche Zusammensetzung wie die untere kontinentale Kruste auf.
Das wird zu einem Problem für eine führende Theorie, wie sich kontinentale Kruste bildet, sagte Kelemen. Diese Theorie besagt, dass die Bogenkruste delaminiert – dichte Gesteinsbrocken innerhalb der Bogenkruste bewegen sich langsam nach unten und „gleiten“ in den Erdmantel, bis die Bogenkruste die Zusammensetzung der kontinentalen Kruste erreicht hat. Die neuen Daten deuten darauf hin, dass für eine funktionierende Delaminierung ein Großteil des Gesteins aus einer 20 Kilometer dicken Kruste entfernt werden müsste. Die Delaminierung funktioniert jedoch nur unterhalb von 35 bis 40 km Tiefe.
„Selbst nachdem wir also ein wenig dichtes Material vom Boden entfernt haben, wird man am Ende immer noch eine untere Kruste in den Bögen haben, die ganz anders aussieht als die untere Kruste auf den Kontinenten. Der Prozess reicht nicht aus, um aus der Bogenkruste kontinentale untere Kruste zu machen“, sagte Kelemen. Die Delamination findet zwar statt, aber damit sie die treibende Kraft ist, wäre ein komplexer Prozess mit wiederholter Krustenverdickung und metamorphen Ereignissen erforderlich, sagte er.
Kelemen und Behn schlagen einen einfacheren Prozess vor.
Der Test auf den Aleuten
Die Autoren haben ihr Modell auf den Aleuten auf die Probe gestellt. In diesem vulkanischen Bogen sind die Lava und die Plutone der kontinentalen Kruste ähnlich, aber die untere Kruste ist stark verarmt an Elementen, die in der unteren kontinentalen Kruste reichlich vorhanden sind. Um das Potenzial für eine Relaminierung zur Bildung von unterer kontinentaler Kruste zu bestimmen, berechneten die Wissenschaftler die Dichte der freiliegenden Laven und Plutonen bei Drücken und Temperaturen in der Subduktionszone.
Ungefähr 44 Prozent der Aleuten-Laven und 78 Prozent der Plutonen wären unter den Bedingungen der Subduktionszone schwimmfähiger als Mantelperidotit, fanden sie. Dies deutet darauf hin, dass, wenn Teile des Aleutenbogens in die Subduktionszone gezogen werden, in einer Tiefe von 90 bis 120 km, wo Temperaturen von über 700°C herrschen, die Laven und Plutone des Bogens aufsteigen und sich am Boden der Kruste ansammeln würden. Die Zusammensetzung dieses angesammelten Materials würde wie untere kontinentale Kruste aussehen.
Inspiriert von diesem Ergebnis führten die Wissenschaftler die gleichen Berechnungen für andere Bögen durch. Sie fanden heraus, dass am Standort Talkeetna in Alaska 48 Prozent der Laven und 37 Prozent der Plutone schwimmfähig sein würden. In Kohistan, dem Standort in Pakistan, wären 36 Prozent der Laven und 29 Prozent der Plutone schwimmfähig.
Relamination kann im Pelona-Schiefer in Südkalifornien sichtbar sein, wo Abschnitte der unteren kontinentalen Kruste sichtbar sind, so Kelemen. In der freiliegenden, „unterplattierten“ Kruste finden sich Tonsteine und Klumpen von Mantelperidotit, die von schwimmfähigeren Materialien umgeben sind.
„Wir können junge, vulkanische Sedimente sehen, die unter ältere kontinentale Kruste gestopft wurden und nun Teil des Gesamtpakets sind. Wie sind sie da runter gekommen? Es ist in Südkalifornien passiert, und ich würde behaupten, dass es wahrscheinlich an vielen Orten passiert“, sagte Kelemen.
Erfahren Sie mehr über die laufenden Arbeiten am Lamont-Doherty Earth Observatory.