Wissenschaftler lösen das seit langem bestehende Rätsel der Kontinentalhöhe

Die Studie legt nahe, dass das Auseinanderbrechen von Kontinenten tiefe Bodenwellen verursacht, die zur Entstehung topografischer Merkmale wie Klippen und Hochebenen führen.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung der University of Southampton hat eine der rätselhaftesten Fragen der Plattentektonik beantwortet: Wie und warum „stabile“ Teile von Kontinenten nach und nach aufsteigen und einige der größten topografischen Merkmale des Planeten bilden.

In ihrer kürzlich veröffentlichten Studie in NaturDie Forscher untersuchten die Auswirkungen globaler tektonischer Kräfte auf die Entwicklung von Landschaften über Hunderte Millionen Jahre. Sie fanden heraus, dass bei der Trennung tektonischer Platten tief im Erdinneren starke Wellen freigesetzt werden, die dazu führen können, dass die Kontinentaloberfläche um mehr als einen Kilometer ansteigt.

Das Rätsel der Hänge und Hochebenen

Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, ein seit langem bestehendes Rätsel über die dynamischen Kräfte zu lösen, die einige der dramatischsten Landformen der Erde formen und verbinden – riesige topografische Merkmale, die „Klippen“ und „Hochebenen“ genannt werden und das Klima und die Nachbarschaften tiefgreifend beeinflussen.

„Wissenschaftler vermuten seit langem, dass steile, kilometerhohe topografische Strukturen, sogenannte große Klippen – wie das klassische Beispiel rund um Südafrika – entstehen, wenn Kontinente auseinanderbrechen und sich schließlich spalten. Die Erklärung dafür, warum sich die Kontinente im Inneren erheben, ist jedoch weit entfernt „Wir wussten einfach nicht, dass dieser Prozess mit der Bildung dieser hoch aufragenden Klippen zusammenhängt“, sagte Hauptautor Tom Gernon, Professor für Geowissenschaften an der University of Southampton.

Vertikale Bewegungen stabiler Teile von Kontinenten, sogenannte Kratone, gehören nach wie vor zu den am wenigsten verstandenen Aspekten der Plattentektonik.

Ein Team der University of Southampton, darunter Dr. Thea Hincks, Dr. Derek Kerr und Alice Cunningham, arbeitete mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Potsdam – dem Deutschen Forschungszentrum für Geowissenschaften und Forschung (GFZ) zusammen. Universität Birmingham Um diese grundlegende Frage zu beantworten.

Ihre Ergebnisse helfen zu erklären, warum Teile von Kontinenten, die zuvor als „stabil“ galten, erheblichen Hebungen und Erosionen unterliegen und wie solche Prozesse Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern ins Landesinnere wandern können und riesige erhöhte Gebiete, sogenannte Plateaus, wie das Zentralplateau, bilden im südlichen Afrika.

Modellierung der kontinentalen Hebung und Erosion

Basierend auf ihrer Studie, die Diamantenausbrüche mit dem Aufbrechen von Kontinenten in Verbindung bringt, Letztes Jahr veröffentlicht in NaturDas Team nutzte fortschrittliche Computermodelle und statistische Methoden, um zu untersuchen, wie die Erdoberfläche im Laufe der Zeit auf das Aufbrechen der Kontinentalplatten reagiert.

Sie entdeckten, dass bei der Spaltung von Kontinenten die Ausdehnung der Kontinentalkruste kinematische Bewegungen im Erdmantel (der massiven Schicht zwischen der Kruste und dem Kern) verursacht.

„Dieser Prozess kann mit einer weitreichenden Bewegung verglichen werden, die sich auf die Kontinente zubewegt und deren tiefe Grundlagen zerstört“, sagt Professor Sascha Brun, der die Abteilung für Geodynamische Modellierung am GFZ Potsdam leitet.

Professor Brun und Dr. Anne Glerum, die ebenfalls in Potsdam arbeiten, untersuchten in einer Simulation, wie sich dieser Prozess entwickelte. Das Team bemerkte ein interessantes Muster: Die Geschwindigkeit der Mantelwellen, die sich in ihrer Simulation unter den Kontinenten bewegten, entspricht weitgehend der Geschwindigkeit großer Erosionsereignisse, die nach dem Auseinanderbrechen des alten Superkontinents Gondwana über die südafrikanische Landschaft fegten.

Wissenschaftler haben Beweise dafür gesammelt, dass an den Rändern alter Rift-Täler große Klippen entstanden, genau wie die steilen Wände, die wir heute an Rift-Rändern in Ostafrika sehen. Gleichzeitig löste das Rifting-Ereignis auch eine „tiefe Mantelwelle“ aus, die sich mit einer Geschwindigkeit von 15 bis 20 Kilometern pro Million Jahre entlang der Basis des Kontinents bewegt.

Sie glauben, dass diese Welle durch Konvektion dazu dient, Gesteinsschichten von den Wurzeln der Kontinente zu entfernen.

„So wie Luftballons Gewicht verlieren, um höher zu steigen, führt der Verlust von kontinentalem Material dazu, dass Kontinente ansteigen – ein Prozess, der Isoelevation genannt wird“, sagte Professor Brun.

Auf dieser Grundlage modellierte das Team, wie die Landschaft auf diese durch den Erdmantel verursachte Hebung reagieren würde. Sie fanden heraus, dass die Instabilität des wandernden Mantels zu einer Welle der Oberflächenerosion führt, die mehrere zehn Millionen Jahre andauert und sich mit ähnlicher Geschwindigkeit über den Kontinent bewegt. Durch diese starke Erosion wird den Gesteinen enormes Gewicht entzogen, wodurch die Erdoberfläche weiter ansteigt und Hochebenen entstehen.

„Unsere Landschaftsentwicklungsmodelle zeigen, wie eine Reihe von Rifting-bedingten Ereignissen sowohl zu einer Böschung als auch zu einem stabilen, flachen Plateau führen können, obwohl dies auf die Erosion einer mehrere tausend Meter langen Gesteinsschicht zurückzuführen ist.“

Die Studie des Teams liefert eine neue Erklärung für die rätselhaften vertikalen Bewegungen von Kontinenten fernab der Kontinentalränder, wo Hebungen häufiger vorkommen.

Dr. Steve Jones, außerordentlicher Professor für Erdsysteme an der Universität Birmingham, fügte hinzu: „Wir haben hier ein überzeugendes Argument dafür, dass Rifting unter bestimmten Bedingungen direkt langlebige Konvektionszellen im oberen Mantel erzeugen kann, und diese Rifting- Induzierte Konvektionssysteme haben „einen tiefgreifenden Einfluss auf die Topographie der Erdoberfläche, Erosion, Sedimentation und Verteilung natürlicher Ressourcen.“

Fazit und zukünftige Richtungen

Das Team kam zu dem Schluss, dass die gleiche Kaskade von Störungen im Erdmantel, die dazu führt, dass Diamanten schnell aus der Tiefe der Erde auftauchen, auch die kontinentalen Landschaften grundlegend prägt und eine Reihe von Faktoren beeinflusst, vom regionalen Klima und der Artenvielfalt bis hin zu menschlichen Siedlungsmustern.

Professor Gernon, der ein großes philanthropisches Stipendium der WoodNext Foundation erhielt, die von der Greater Houston Community Foundation verwaltet wird, um die globale Abkühlung zu untersuchen, erklärte, dass das Aufbrechen des Kontinents nicht nur die tiefen Schichten der Erde stört, sondern auch Auswirkungen hat, die sich auf die gesamte Erde auswirken Die Oberfläche der Kontinente, von denen man früher dachte, dass sie nicht der Fall ist, ist stabil.

„Die Destabilisierung kontinentaler Kerne muss sich auch auf das antike Klima ausgewirkt haben“, schlussfolgerte Professor Gernon.

Referenz: „Koevolution von Rändern und Innenräumen von Kontinenten während der Kontinentaltrennung“ von Thomas M. Gernon und Tia K. Hincks, Sascha Bron, Jane Brown und Stephen M. Jones, Derek Kerr, Alice Cunningham und Annie Glerum, 7. August 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07717-1