Die etwa hundert Kilometer dicke, feste Schale des Erdballs – die so genannte Lithosphäre – gliedert sich in eine Anzahl von Platten, die auf dem zähplastischen Erdmantel "schwimmen" und sich relativ zueinander bewegen. Dabei kollidieren sie an mehreren Stellen auch miteinander. Ist ein Kollisionspartner eine kontinentale und der andere eine ozeanische Platte, reicht die höhere Dichte der letzteren im Allgemeinen aus, dass sie sich unter die spezifisch leichtere kontinentale Platte schiebt und schräg zurück in den Erdmantel sinkt. Diese so genannte Subduktion findet zum Beispiel an der Westküste Süd- und Mittelamerikas statt.

Die Wechselwirkung zwischen der abtauchenden und der darüber fahrenden Platte setzt sich entlang der Kontaktfläche zwischen beiden über mehrere Dutzend Kilometer bis in Tiefen von über hundert Kilometern fort. Dabei kommt es zu einem bedeutenden Austausch von Gesteinsmassen und Fluiden (Flüssigkeiten oder Gasen), der einen intensiven Vulkanismus hervorruft. An den Rändern kollidierender Platten treten daher weltweit die meisten Vulkaneruptionen auf. Hier entladen sich zudem neunzig Prozent der seismischen Energie auf der Erde.

Manchmal schabt die obere Platte von der abtauchenden Lithosphäre Sedimente ab, die dann an ihrem Rand zu einem so genannten Akkretionskeil aufgeschoben werden. Dies ist jedoch kein effizienter Prozess; daher verbleibt viel Sediment auf der absinkenden ozeanischen Platte und wird zusammen mit ihr in die Tiefe verfrachtet.

Umgekehrt passiert es aber auch, dass die untere Platte Material von der oberen abhobelt. Eine solche Subduktionserosion kann an zwei Stellen stattfinden: am Fuß des Kontinentalhanges am vorderen Plattenrand und an der Unterseite der kontinentalen Platte. Ersteres zeigt sich daran, dass der Kontinentalhang an dieser Stelle zerklüftet und eingebuchtet ist; Letzteres erkennt man an einer Absenkung des Plattenrandes um mehrere Kilometer – von fast Meeresspiegel-Niveau auf die Meerestiefe unterhalb des Kontinentalhanges. Wenn die obere Platte so weit absackt, muss sie von unten stark verdünnt worden sein.

Schnappschüsse eines Dramas unter der Kruste

Besonders dramatische Beispiele für Subduktionserosion bieten Tiefseeberge, die sich mit der abtauchenden ozeanischen Platte unter den Kontinentalrand schieben. Faszinierende Schnappschüsse dieses Vorgangs lieferte nun erstmals die großflächige Vermessung des Pazifikbodens vor Costa Rica. Die ozeanische Platte bewegt sich hier mit etwa neun Zentimetern pro Jahr frontal auf den Kontinent zu.

Detaillierte Reliefkarten des Meeresgrundes, die das deutsche Forschungsschiff "Sonne" mit Fächerecholoten aufgenommen hat, zeigen charakteristische Strukturen, die zehn bis zwanzig Kilometer breite und 1000 bis 2500 Meter hohe Tiefseeberge in verschiedenen Stadien ihres Vordringens unter die kontinentale Kruste geschaffen haben. So verlaufen im Kontinentalhang mehrere Furchen senkrecht zur Plattengrenze. Teils zeigen lokale Hebungen am Ende der Furche noch an, wo sich der jeweilige Tiefseeberg auf seinem Weg hinab in den Erdmantel gerade befindet.

Wenn ein Tiefseeberg sich in die Basis der kontinentalen Platte pflügt, schiebt er zunächst deren dünne Randzone beiseite, die aus angelagerten weicheren Sedimenten besteht. Dabei zerstört er die Hangbasis und ritzt eine etwa zehn Kilometer lange Kerbe in den Plattenrand.

Danach endet die Zone weicher Sedimente, und der Tiefseeberg trifft auf den harten Kern der kontinentalen Platte, der aus Gestein des Grundgebirges besteht. Die Folgen sind nicht ganz so dramatisch, wie man vermuten könnte. Entlang der Grenzfläche zwischen den Platten sammeln sich nämlich Fluide, die unter hohem Druck stehen und die Scherfläche schmieren. Dadurch verringern sie die Deformation und Erosion. Allerdings werden die Sedimente am Meeresboden über dem Gipfel des Tiefseeberges zunächst stark gedehnt und auseinandergebrochen. Dann kippt der Meeresboden seewärts, sodass die Sedimentdecke schließlich den Hang hinunterrutscht. Dadurch entsteht eine Furche, die so breit ist wie die Spitze des Tiefseeberges.

Bei der weiteren Subduktion schabt der Tiefseeberg schließlich auch Material von der Unterseite der oberen Platte ab. Dies lässt sich auf der neuen, detaillierten Karte des Meeresbodens vor Costa Rica erstmals direkt erkennen. Dort erscheint eine breite Furche, die mehr als 50 Kilometer den Kontinentalhang hinaufläuft. Obwohl sie teilweise mit jüngeren Sedimenten angefüllt ist, zeigt ihre Tiefe an, dass die obere Platte durch tektonische Erosion an ihrer Basis Material verloren hat, während der abtauchende Tiefseeberg unter ihr entlang geschrammt ist.

Zusätzlich zur oberflächlichen Kartierung des Kontinentalrands bei Costa Rica per Fächerecholot wurde mit seismischen Methoden auch der Untergrund "durchleuchtet". Dabei machten die Geophysiker eine weitere interessante Entdeckung: Dicht oberhalb der abtauchenden ozeanischen Platte sind riesige Gesteinslinsen von 10 bis 15 Kilometern Länge und 1 bis 1,5 Kilometer Höhe zu erkennen. Woher stammen diese Megalinsen? Sind es subduzierte Sedimente, die sich von der abtauchenden ozeanischen Platte gelöst und von unten an die kontinentale Platte angelagert haben? Oder bestehen die Megalinsen umgekehrt aus erodiertem Material der oberen Platte, das sich die untere Platte einverleibt hat?

Eine Anlagerung von Material an die obere Platte oder eine Verdickung durch Kompression erscheint wenig wahrscheinlich; denn dann müsste die kontinentale Platte oberhalb der Megalinsen deutlich angehoben worden sein. Dafür finden sich aber keine Anzeichen; stattdessen erscheint die obere Platte durch normale Abschiebungen gedehnt. Das spricht für die zweite Vermutung, wonach die Linsen große Gesteinskörper sind, die sich von der oberen Platte abgelöst haben und nun zusammen mit der unteren die Subduktionszone hinabwandern.

Nach dem Ablösen könnten die Linsen mit der Zeit zerbrechen und schließlich völlig zerrieben werden; sie würden dann in Form von Schlamm entlang der Subduktionszone weiter transportiert. Nie zuvor war es gelungen, eine solche Form der Erosion mit geophysikalischen Methoden abzubilden. Die neuen Beobachtungen ermöglichen damit ein besseres Verständnis, wie die basale Erosion kontinentaler Platten an Subduktionszonen abläuft und welche Art von Material jene Vulkane bildet, die den Pazifischen Ozean wie ein Feuergürtel umgeben.

Insgesamt liefern die Ergebnisse von Costa Rica Einblicke in den subduktionsbedingten Material- und Fluidtransport in das Erdinnere, wie es sie so detailliert nie zuvor gegeben hat. Das ist umso wichtiger, als die Materialien, die an Subduktionszonen in die Tiefe wandern, den Entstehungsort und die Eigenschaften schwerer Erdbeben beeinflussen. Seit langem fragen sich die Geophysiker, welche Prozesse es sind, die immer wieder schlagartig gewaltige Mengen seismischer Energie tief unter den Küstenregionen des Pazifik und des Mittelmeeres freisetzen. Eine weitere offene Frage ist, warum einige Erdbeben verheerende Flutwellen (Tsunamis) hervorrufen, andere aber nicht.

Je höher die Auflösung seismischer Reflexionsdaten ist und je leistungsfähiger die Computerprogramme zu ihrer Auswertung sind, desto mehr Einzelheiten kommen ans Licht, die das Verständnis – und damit möglicherweise auch die Vorhersage – von Naturkatastrophen erleichtern. Leider ist die Wissenschaft aus Kostengründen nicht in der Lage, die derzeit fortschrittlichsten Techniken einzusetzen. Sie muss immer noch mit geophysikalischen Methoden auskommen, die der Standardausstattung bei der geophysikalischen Exploration der Ölindustrie um 10 bis 15 Jahre hinterherhinken.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2001, Seite 12
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH