Vor Jahrmilliarden kommt es zu einem dramatischen Prozess: Die Erdkruste zerbricht, Vulkane speien, Gebirge wachsen – und Kontinente entstehen, die den Planeten seither modellieren
Das große Erdbeben vom 18. April 1906 in und um San Francisco kostete mehr als 3000 Menschen das Leben und verursachte – nach heutigem Wert – Schäden in Höhe von zehn Milliarden Dollar. Die Erdstöße ließen Häuser zusammenbrechen, Brücken einstürzen, Straßen auseinanderreißen.
Doch das Beben war auch in anderer Hinsicht verstörend: Denn die Stöße veränderten die Landschaft. So standen manche Bäume plötzlich nicht mehr dort, wo sie vorher gewurzelt hatten; sie waren um mehrere Meter verschoben worden. Im Marin County nördlich von San Francisco war ein Lattenzaun auf halber Strecke unterbrochen – der Rest stand knapp 2,6 Meter seitlich versetzt.
Denn ein großer Streifen Kaliforniens war ein wenig nach Nordwesten gerutscht und hatte dabei alles, was sich auf ihm befand, mitgerissen. Der Rest des Gebietes war gewissermaßen zurückgeblieben.
Selbst Experten hatten zuvor nicht wirklich verstanden, dass sich Kalifornien über zwei gewaltige Erdschollen erstreckt, die sich unabhängig voneinander bewegen. Erst im Verlauf der folgenden Jahre und Jahrzehnte lernten die Wissenschaftler, dass auch der Rest der Welt auf mobilen Krustenteilen sitzt – und wie ungemein eigenartig dies ist.
Plattentektonik: Die treibende Kraft hinter der Erdentwicklung
Auf keinem anderen Planeten im Sonnensystem ist die Oberfläche derart unruhig, bauen sich die Landmassen immer wieder um. Dieses Phänomen, die Plattentektonik, hat fast alles auf der Erde geprägt: von den Landschaften über das Klima bis zur Natur.
Der Start dieser wundersamen Entwicklung fällt bereits früh in die Geschichte des Planeten: in die Zeit vor vier Milliarden Jahren.
Columbia vor 1,6 Mrd. Jahren: Fast alle Gesteinsmassen, die nach dem vermuteten ersten Planeten Ur entstehen, vereinigen sich zu dem zusammenhängenden Kontinent Columbia
© Tim Wehrmann für GEO
Damals ist die Erde ein feuriger Magmaball, eine glutheiße Kugel, die jedoch allmählich abkühlt. Im Verlauf vieler Jahrmillionen bilden sich durch die Abkühlung auf der Oberfläche unseres jungen Heimatplaneten Flöße aus hartem Basaltgestein, die auf dem wabernden Ozean aus Magma dahintreiben. Schließlich überzieht eine weltumspannende, zunächst noch dünne Kruste aus Basalt den glutflüssigen Untergrund.
Zum Teil wölbt sich diese steinerne Haut zu Kegeln brodelnder Vulkane auf. Die Feuerberge spucken gewaltige Lavamassen aus, speien Wasserdampf und andere Gase – darunter Kohlendioxid, Stickstoff und Schwefelverbindungen. Allmählich umweht eine Uratmosphäre den Planeten.
In jener Epoche prasseln permanent Meteoriten auf die Erde ein – kosmische Geschosse, die häufig riesige Löcher in die anfangs dünne Kruste schlagen. Dann spritzt das darunterliegende, noch glutflüssige Magma feuerrot in die Höhe.
An der Unterseite der noch zarten festen Schale – dort, wo das Magma von unten auf die Basaltkruste trifft – schmilzt das Gestein immer wieder, sodass es sich teils verflüssigt. Bei diesem Vorgang sondern sich Minerale ab, es entsteht ein neues, leichteres Gestein: Granit.
Wie eine Art Schaum steigt dieser Granit durch Lücken in der Kruste auf und lagert sich über dem schwereren Magma und der ebenfalls schwereren Basaltkruste ab.
Als sich die Erde weiter abkühlt, verflüssigt sich der durch Kometen und Vulkanausbrüche in die Atmosphäre eingebrachte Wasserdampf. Dichte Wolken umhüllen nun die Erde – und schließlich rauscht Regen herab.
Millionen Jahre langer Regen formt einen gewaltigen Ozean
Es ist ein kaum endender Niederschlag. Millionen Jahre lang wird sich der Regen auf den Globus ergießen. Anfangs ist die Erde noch so heiß, dass die Niederschläge gleich wieder verdampfen. Doch mit der Zeit kühlt der Planet so weit ab, dass das Wasser sich am Boden sammelt. Und die Wassermassen, die die Basaltkruste überfluten, schwellen zu einem gewaltigen Ozean an. Insgesamt werden Abermilliarden Liter Nass vom Himmel regnen.
Doch die leichtere Granitschicht, die nach wie vor aus dem Erdinneren nach oben drängt, türmt sich teils so hoch auf, dass sie aus den Fluten ragt. So bilden sich erste, vereinzelte Inseln.
Und diese Inseln nehmen beständig an Fläche zu – bis vermutlich vor rund drei Milliarden Jahren der Granit erstmals eine Landfläche von der Größe eines Kontinents auf der Erde formt. Forscher nennen die Landmasse Ur.
Rodinia vor 900 Mio. Jahren: Dieser Superkontinent bildet sich vor etwa 1,1 Mrd. Jahren. Gut 180 Mio. Jahre später zerfällt er in mehrere Teile
© Tim Wehrmann für GEO
Immer mehr Granit schäumt nun auf, immer mehr Landmasse erhebt sich aus den Meeren. Bis heute haben Forscher rund drei Dutzend Fragmente dieser uralten Granitkruste in den Gesteinsmassen der modernen Kontinente nachweisen können. Manche messen ein paar Hundert, andere weit über 1000 Quadratkilometer. Einige der steinernen Relikte sind 3,8 Milliarden Jahre alt.
Diese uralten Überbleibsel formen den Kern von Grönland, Brasilien und Argentinien, lassen sich in Australien und Sibirien, in Skandinavien, Indien und Afrika finden. An manchen Orten, etwa im Norden Kanadas, liegen die Überreste offen in der Landschaft.
Die unter den Meeren liegende Kruste aus Basalt umschließt den Erdball – als eine bruchfreie Schale; etwa so wie die feste äußere Lage eines Golfballs.
Aber dann birst die Kruste. Manche Forscher spekulieren, dass es ein besonders heftiger Meteoriteneinschlag ist, der die Hülle durchschlägt und destabilisiert. Andere gehen davon aus, dass die zerstörerische Kraft von unten kommt und riesenhafte Blasen aus heißem Magma die äußerste Erdschicht aufreißen.
Die Erdkruste zersplittert in mehrere Schollen, die sich bewegen
Was auch immer der Auslöser ist – vor vermutlich etwa drei Milliarden Jahren setzt ein eigentümlicher Prozess ein: Die Erdkruste zersplittert in mehrere Schollen. Und: Die Schollen beginnen sich zu bewegen. Sie rempeln einander an, brechen weiter auf, schieben sich über- und untereinander. Wie genau dieser Vorgang seinen Anfang nimmt, kann bisher kein Forscher mit Gewissheit sagen.
Doch dass die Basaltkruste birst und sich die Schollen auf komplexe Weise bewegen, ist unumstritten.
Mit modernen seismischen Instrumenten, die tief ins Erdinnere zu spähen vermögen, lassen sich solche Krustenstücke entdecken: Diese sogenannten Slabs haben sich unter andere Erdschollen geschoben und sind über Hunderte Jahrmillionen immer weiter Richtung Erdzentrum abgetaucht. Dabei geraten sie in die Nähe des Kerns in 2900 Kilometer Tiefe.
Was aber treibt die Slabs seit Milliarden Jahren in den Untergrund – und was bewegt die Schollen auf der Oberfläche?
Eine wichtige Rolle spielt wohl, dass die im Schnitt 100 Kilometer dicken Platten der Kruste auf einer verformbaren und hochdynamischen Schicht im Oberen Erdmantel lasten: der Asthenosphäre. Diese Schicht wirkt wie ein Schmiermittel, auf dem die Schollen – wie gewaltige Flöße – hinweggleiten können.
Zwar besteht die Asthenosphäre, wie die darüberliegende Kruste auch, aus Gestein und Mineralen. Doch das Gestein ist nicht völlig hart. Unter dem Druck und der Hitze im Erdinneren weicht es vielmehr auf. So kann es sich über den Verlauf von Jahrmillionen verformen und sogar fließen. Allerdings geschieht dies in unvorstellbarer Zeitlupe.
Wissenschaftler bezeichnen die Zähflüssigkeit eines Stoffes als seine Viskosität und messen sie in einer Einheit namens Poise. Zimmerwarmes Wasser hat eine Viskosität von 0,01 Poise, Motoröl erreicht zehn bis 20 Poise – und Mantelgestein rund 1022 Poise. Das heißt: Das Gestein ist 10 000 000 000 000 000 000 000-mal zähflüssiger als Wasser.
Kreislauf aus Erhitzung, Aufsteigen, Abkühlung, Absinken und erneuter Erhitzung
Weil im Zentrum der Erde ein glühender Kern sitzt, verhält sich das Mantelgestein dabei so wie eine Lavalampe: Die unteren Schichten wärmen sich am Kern auf, dehnen sich aus und werden leichter. Daher steigen sie nach oben.
Die oberflächennahen Mantelregionen sind im Vergleich kühler, dichter und schwerer. So sinken sie nach unten – bis sie sich schließlich am Kern genug aufgeheizt haben und wieder aufsteigen.
Ein Kreislauf aus Erhitzung, Aufsteigen, Abkühlung, Absinken und erneuter Erhitzung entsteht, wobei jeder Umlauf mindestens 100 Millionen Jahre dauert.
Währenddessen bewegen sich die auf dem Mantel aufliegenden Platten auf der Asthenosphäre und rutschen dabei gewissermaßen in verschiedenen Richtungen über die Erdoberfläche.
Die Landmassen von Europa und Nordamerika treiben derzeit etwa knapp drei Zentimeter pro Jahr auseinander. Ägypten dagegen bewegt sich rund 15 Millimeter pro Jahr auf Europa zu; das Mittelmeer wird daher immer schmaler. Wie genau sich damals, vor Milliarden Jahren, die Platten verhalten haben, wie viele dieser gewaltigen Schollen es gab und wohin sie drifteten, das lässt sich heute nicht mehr exakt rekonstruieren.
Pangea vor 250 Mio. Jahren: Der Superkontinent erstreckt sich von Pol zu Pol und begünstigt durch seine vielfaltigen Landschaften das Aufkommen neuer Arten
© Tim Wehrmann für GEO
Sicher ist nur, dass der Kontinent Ur irgendwann auseinanderbrach. Dass neue Landmassen entstanden, die zum Teil miteinander kollidierten, dann wieder in Jahrmillionen auseinanderstrebten. Schon früh bildeten sich Teile jener Platten heraus, die auch heute noch die Kontinente tragen und das Bild des Planeten prägen.
Insgesamt besteht die Oberfläche der Erde heute aus sieben großen und zahlreichen kleinen Platten. Bei ihren steten Bewegungen stoßen sie immer wieder gegeneinander. So schiebt sich etwa die Indische Platte pro Jahr vier Zentimeter in die Eurasische Platte. Bei dieser langsamen Kollision wird das Gestein ihrer Krusten nach oben gedrückt, sodass diese verdicken. Auf diese Weise hat sich am Nordrand von Indien über die vergangenen Jahrmillionen der mächtige Gebirgszug des Himalaya aufgewölbt. Und die Gipfel wachsen noch weiter in die Höhe: um gut einen Zentimeter pro Jahr.
Trifft aber eine ozeanische Platte auf eine kontinentale Platte, kollidieren die beiden nicht. Vielmehr taucht in solchen Fälle immer die ozeanische Scholle unter die andere ab. Denn die Meereskruste ist schwerer als die kontinentale, sie besteht aus dichterem Basalt und ist nur fünf bis acht Kilometer dick. Die leichtere Granitkruste der Kontinente türmt sich dagegen bis zu 75 Kilometer auf.
An Stellen, an denen eine ozeanische Scholle im Untergrund abtaucht, bilden sich oft scharfe Seerinnen. So liegt das tiefste Tal der Welt im Pazifik: Dort taucht eine Meeresplatte ab und hat den elf Kilometer tiefen Marianengraben gebildet.
Ist eine Scholle des Ozeanbodens erst einmal unter einer anderen Platte ins Mantelgestein eingedrungen, wird sie durch ihr eigenes Gewicht immer weiter nach unten gezogen. Denn der Basalt am ozeanischen Grund ist nicht nur kalt und schwer, sondern auch mit Wasser gesättigt. So versinkt er, langsam schmelzend, in der heißen Asthenosphäre.
Die Entstehung des Mittelozeanischen Rückens
Durch das Herabsinken auf der einen Seite wird eine Scholle an ihrem anderen Ende von einer Nachbarplatte weggezogen. In der Erdkruste tut sich dadurch eine Lücke auf – ein Riss, aus dem heißes Magma aus dem Inneren des Planeten emporstrudelt. Beim Kontakt mit dem Meerwasser kühlt die heiße Masse ab und verfestigt sich. Bis sich der Riss wieder weitet, neues glutheißes Magma nachströmt.
Mit der Zeit bildet sich so ein regelrechter unterseeischer Gebirgszug. Auf diese Weise hat sich etwa in den Tiefen der Weltmeere ein rund 65 000 Kilometer langes Gebirge aus Lavagestein geformt: der Mittelozeanische Rücken, der sich um die Erde zieht wie das Netz aus Nähten um einen Baseball.
Im Durchschnitt bewegen sich die Platten etwa so langsam, wie unsere Fingernägel wachsen. Doch schrammen etwa zwei Platten seitlich aneinander vorbei oder taucht eine Platte unter eine andere ab, kommt es vor, dass sich die beiden Schollen gewissermaßen verhaken. Und über Jahrzehnte oder Jahrhunderte hinweg fast unbeweglich verharren.
In dieser Zeit baut sich eine immer größere Zugspannung zwischen den Platten auf. Diese gewaltige Kraft löst sich meist urplötzlich – dann, wenn eine der Platten mit einem mächtigen Ruck an der anderen vorbeirutscht. Und dadurch teils verheerende Erdbeben verursacht.
Im März 2011 schob sich die japanische Insel Honshu um mehrere Meter nach Osten. Die folgenden Erdstöße lösten den Tsunami aus, der das Atomkraftwerk in Fukushima beschädigte.
Beim großen Erdbeben von Chile im Jahr zuvor rutschte die Stadt Concepción mehr als drei Meter nach Westen. Der Erdstoß wurde von der Nazca-Platte ausgelöst, die sich an Chiles Westküste unter Südamerika schiebt.
Plattentektonik modelliert seit Jahrmilliarden fortwährend die Oberfläche der Erde
Auch Vulkane brechen oft an Nahtstellen zwischen Platten aus. Denn wenn eine Scholle unter eine andere gleitet, schmilzt Gestein, das als Lava an die Oberfläche drängen kann.
Andere Vulkane entstehen, wenn Magma-Säulen (Hotspots) aus dem Erdinneren durch die Mitte einer Scholle nach außen bersten. Weil sich die Platte über dem Hotspot in der Regel langsam weiterbewegt, bilden sich im Lauf von Jahrmillionen oft lang gezogene Ketten von Vulkaninseln – zum Beispiel das vulkanische Archipel Hawaii.
So modelliert die Plattentektonik schon seit Jahrmilliarden fortwährend die Oberfläche der Erde: Alte Kruste sinkt ab, verschwindet in der Tiefe, neue entsteht dort, wo die Schollen aufreißen. Und die bestehende Kruste ist permanent in Bewegung. Das Gestein, auf dem etwa die US-Stadt Denver heute in 1600 Meter Höhe liegt, befand sich vor 70 Millionen Jahren unterhalb des Meeresniveaus.
Auf keinem anderen bekannten Planeten kommt es zu derartigen Prozessen. Zwar gibt es auf einigen Himmelskörpern wie dem Mars oder Merkur Spuren, die auf eine tektonische Aktivität hinweisen. Doch im Vergleich zur Erde erscheinen die Vorgänge sehr viel schwächer. Oft scheint eine ehemalige Aktivität schon wieder erloschen zu sein.
Zugleich ist die Erde der einzige bekannte Planet, auf dem komplexe Lebensformen entstanden sind. Und die Plattentektonik spielte womöglich eine wichtige Rolle dabei, dass sich die Organismen während ihrer Jahrmilliarden währenden Evolution so vielfältig entwickelt haben.
Denn die Drift der Kontinente ist ein wichtiger Grund dafür, dass das Klima über lange Zeit mehr oder minder stabil blieb. So reguliert die Bewegung der Erdschollen unter anderem ein Gas, das eine wichtige Rolle im Temperaturhaushalt des Planeten spielt: Kohlendioxid.
Dieses Gas wirkt in der Atmosphäre wie die Glasscheibe in einem Gewächshaus. Es bildet gleichsam eine Barriere, die Wärmeenergie einfallender Sonnenstrahlen zurückhält. Enthält die Atmosphäre eines Planeten viel Kohlendioxid, kann es dort lebensfeindlich heiß werden. Ist die Menge zu gering, fallen die Temperaturen – und alles friert ein.
Eine kühlere Sonne und der Beginn des Lebens
Bevor der Mensch durch das Verbrennen von Öl und Gas Kohlendioxid produzierte, wurde es vor allem von den Vulkanen in die Atmosphäre geblasen. Doch das Gas verweilt dort nicht dauerhaft. Denn der Regen wäscht das Kohlendioxid aus der Luft. Fallen die Tropfen dabei auf Gestein, lösen sie aus dem Fels verschiedene Minerale wie Kalzium, die dann über Bäche und Flüsse ins Meer getragen werden. Dort lagert sich der Kalk auf dem Meeresgrund ab.
Durch die Bewegung der Erdschollen wird der kalkhaltige Meeresboden schließlich ins Planeteninnere getragen. In der Hitze verflüssigt sich der feste Boden – und wird schließlich von Vulkanen wieder als Magma und gasförmiges Kohlendioxid an die Oberfläche gesprüht. Dann beginnt der Kreislauf erneut.
Als sich Leben wohl vor vier Milliarden Jahren auf der Erde zu entwickeln begann, war die Sonne kühler als heute und ihre Leuchtkraft um fast ein Drittel geringer. Das von den Vulkanen produzierte Wasser und Kohlendioxid führte damals dazu, dass die Erde nicht permanent einfror.
Später, als die Kraft der Sonne zunahm, wirkte der von der Plattentektonik angetriebene Kohlenstoffkreislauf wie ein Thermostat, der verhinderte, dass es zu heiß wurde.
Denn wenn die Temperaturen steigen, verdunstet mehr Wasser aus den Meeren. Dadurch fällt mehr Regen. Mehr Kohlendioxid wird ausgewaschen, mehr Gestein verwittert, mehr Kohlenstoff wird ins Erdreich befördert. Weniger Sonnenstrahlung wird zurückgehalten: Die Temperaturen sinken.
Gleichzeitig veränderten sich durch die Drift der Erdschollen immer wieder die Lebensräume. Kontinente bewegten sich vom Äquator in Richtung der Pole oder umgekehrt. Ein Umstand, der Tiere und Pflanzen dazu zwang, ihre Habitate zu verlagern oder sich anzupassen.
In 250 Millionen Jahren: Ein neuer Superkontinent
Manche Forscher vermuten, dass dies ein Motor der Evolution war und zu einer größeren Biodiversität beigetragen hat. Ebenso fördert die Tektonik die schiere Vielfalt an Lebensräumen, die durch das Auffalten von Gebirgen oder die Geburt von Vulkaninseln im Meer entsteht.
Gelegentlich bewirkt das Wandern der Platten, dass sich sämtliche Landmassen der Welt zu einer einzigen zusammenhängenden Fläche zusammenballen. Wohl mindestens vier solcher Superkontinente entstanden im Lauf der Erdgeschichte. Der bislang letzte – Pangaea – bildete sich vor 250 Millionen Jahren und zog sich von Pol zu Pol.
Moderne Analysen haben ergeben, dass es in rund 250 Millionen Jahren wieder so weit ist: Dann wird ein neuer Superkontinent das Antlitz der Erde prägen.
Wo die gewaltige Landmasse liegen wird, ist derzeit noch umstritten. Nach einer Modellrechnung wird sich der zukünftige Superkontinent über einen riesigen Bereich rund um den Nordpol erstrecken.
Und von dort wird der Tanz der Kontinente dann von Neuem beginnen.
