Geografie-PHZH | 3: Geologie (Endogene Prozesse)

Für die Entstehung der Ozeane und der Atmosphäre existieren zwei Erklärungen. Einige Geologen vermuten, dass in der frühen Geschichte der Erde zahlreiche Kometen die Erde trafen. Die Kometen enthielten Wasser, Kohlendioxid und andere Gase und konnten damit die frühen Ozeane und die erste Atmosphäre bilden.

Eine andere Erklärung geht davon aus, dass ursprünglich Wasser und verschiedene Gase in bestimmten Mineralien eingeschlossen waren. Als das Erdinnere aufschmolz, wurde,n Wasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und andere Gase freigesetzt und mit dem Magma an die Oberfläche verfrachtet, wo sie über Vulkane an die Erdoberfläche gelangten.

Die Erdkruste macht nur 0,7% der gesamten Erdmasse aus und wird in zwei Typen unterschieden:

Die «kontinentale Kruste» im Bereich der Kontinente und des Schelfs ist mächtiger und leichter (geringere Dichte) als die «ozeanische Kruste» im Bereich der Ozeane.

Die Grenze zwischen Kruste und Mantel ist durch einen Sprung in der Dichte der Materie von 2,8 g/cm3 auf 3,5 g/cm3 gekennzeichnet und wird nach ihrem Entdecker, dem kroatischen Geophysiker Andrija Mohorovičić (1857-1936), als Mohorovičić-Diskontinuität (oder kurz: Moho) bezeichnet.

Der Mantel ist je nach Temperatur- und Druckverhältnissen fest oder teilweise aufgeschmolzen.

Der äussere Erdkern besitzt etwa die Konsistenz von sehr dünnflüssigem Honig. Weil dieses flüssige Eisen leicht strömen kann und Eisen zudem ein guter elektrischer Leiter ist, vermuten Wissenschaftler hier - einem Dynamo entsprechend – die Ursachen für das Magnetfeld der Erde.

An der Grenze zum inneren Kern steigt der Druck so stark an, dass das Eisen trotz Temperaturen von über 4000°C zu einer festen Kugel zusammengepresst wird.

Die Lithosphäre (griech. «lithos» = Stein) ist starr und brüchig wie Keramik und umfasst die Kruste und den festen Teil des oberen Mantels. Sie ist damit im Bereich von mittelozeanischen Rücken nur wenige Kilometer und im Bereich von Kontinenten bis zu 60 km Schalenaufbau der Erde mächtig.

Die unter der Lithosphäre liegenden Asthenosphäre (griech. «asthenes» = schwach) ist wegen der höheren Temperatur und des höheren Drucks plastisch und verform bar wie eine Kugel aus Wachs und reicht bis in eine Tiefe von 250 km. Die zirkulierenden Konvektionsströme in der heissen Asthenosphäre treiben die Bewegung der Lithosphärenplatten an und sind damit der Motor für die Erdbeben, den Vulkanismus und die Gebirgsbildung auf der Erdoberfläche.

Die starre Lithosphäre schwimmt, bedingt durch ihre geringere Dichte, auf der plastischen Asthenosphäre. Entsprechend dem Prinzip der Isostasie («Schwimmgleichgewicht»). taucht die Lithosphäre unter einem Gebirge durch das zusätzliche Gewicht tiefer in die Asthenosphäre ein. Wird das Gewicht des Gebirges später durch Abtragung verringert. so hat dies, wie beim Entladen eines schwimmenden Schiffes, eine Hebung zur Folge, bis die Isostasie wiederhergestellt ist.

Die endogenen Kräfte (griech. «endogen» = von innen kommend, von innen entstehend) umfassen alle Vorgänge im Erdinneren und derenAuswirkungen an der Erdoberfläche wie Vulkanausbrüche, Erdbeben und Gebirgsbildungen.

Der Kontinentaldrift (Kontinentalverschiebung) sind die sehr langsamen, aber grossräumigen Bewegungen der Kontinente.

Die starre Lithosphäre schwimmt, bedingt durch ihre geringere Dichte, auf der plastischen Asthenosphäre. Die Lithosphäre umgibt jedoch nicht als durchgehende Schale die gesamte Erdkugel, sondern sie ist in~ungefähr ein Dutzend grosse, starre Lithosphärenplatten aufgeteilt, die ständig in Bewegung sind.

Weil die Asthenosphäre heiss und damit fliessfähig ist, können in diesem Material Konvektionsströme einsetzen. Das Material in der Tiefe wird dabei erhitzt, dehnt sich aus und steigt aufgrund seiner geringer gewordenen Dichte auf. Oben kühlt das Material wieder ab und sinkt wegen seiner grösseren Dichte wieder in die Tiefe. Die Energiequelle dieser Bewegung ist die Wärme im Erdinneren. Die Konvektionsströmungen in der Asthenosphäre sind sehr langsam .und verschieben die darauf schwimmenden Lithosphärenplatten nur um wenige Zentimeter pro Jahr.

Die meisten der grösseren Lithosphärenplatten bestehen aus ozeanischen, meerbedeckten Bereichen und kontinentalen Anteilen. Einige Platten sind aber auch rein ozeanisch. Jede Lithosphären platte verschiebt sich als selbstständige Einheit, woraus drei unterschiedliche Plattengrenzen resultieren:. divergierende und konvergierende Plattengrenzen und Transformstörungen.

An den divergierenden oder konstruktiven Plattengrenzen bewegen sich die Platten jährlich um einige Zentimeter auseinander, Aufsteigendes heisses Magma der Asthenosphäre wird unter der Lithosphäre in entgegengesetzter Richtung seitlich weg bewegt, treibt damit die beiden darüber liegenden Lithosphärenplatten auseinander und füllt zugleich die entstandene Lücke zwischen den Platten auf, Das basaltische Magma kühlt ab und wird zu neuer Lithosphäre, die den wegdriftenden Plattenrändern angefügt wird, Weil die Spalte andauernd aufreisst und sich wieder auffüllt, wodurch ständig neue ozeanische Kruste entsteht, wird dieser Vorgang als Seafloor-Spreading («Meeresbodenausbreitung») bezeichnet.

An konvergierenden oder destruktiven Plattengrenzen prallen zwei Lithosphärenplatten (LP) aufeinander. Stösst eine ozeanische auf eine kontinentale LP, so taucht die schwerere ozeanische Platte unter die leichtere kontinentale Platte in die Asthenosphäre ab (Subduktion) und schmilzt dort auf. Prallen zwei ozeanische LP aufeinander, so wird eine der beiden Platten subduziert und aufgeschmolzen. Die abgetauchte ozeanische Platte schmilzt teilweise zu Magma auf und tritt entweder als Lava aus einem Vulkan an die Erdoberfläche oder erstarrt innerhalb der kontinentalen Kruste, Die Kräfte einer solchen Kollision zwischen LP führen zudem zu heftigen Erdbeben. Dort, wo die ozeanische Platte abtaucht, bildet sich ein Tiefseegraben, d. h. eine lange, schmale Rinne, wo die Ozeane ihre grösste Tiefe erreichen, Der Rand der kontinentalen Platte wird gefaltet und emporgehoben und bildet so parallel zur Tiefseerinne eine Gebirgskette, die mit Vulkanen durchsetzt ist.

Bei der Kollision von zwei ozeanischen Platten spielen sich unter Wasser die gleichen geologischen Ereignisse ab. Zusammengestauchte Kruste und aktive Vulkane bauen ein Gebirge auf, das sich als Inselbogen (z. B. Japan) über den Meeresspiegel heben kann.

Zur Gebirgsbildung kommt es, wenn zwei kontinentale Platten kollidieren, Wegen der geringen Dichte kann keine Platte in die Asthenosphäre abtauchen, und es kommt zu Verkeilungen, Faltungen und mehrfacher Überschiebung der beiden Platten und damit zur Bildung von hohen Gebirgen. Die Alpen und der Himalaja sind beispielsweise auf diese Weise entstanden.

An Transformstörungen oder an konservativen Plattengrenzen gleiten Platten horizontal aneinander vorbei. Dabei wird keine neue Lithosphäre gebildet und auch keine vernichtet. Viele Transformstörungen treten an divergierenden Plattengrenzen am Meeresboden auf, wo ihr Verlauf unterbrochen und seitlich versetzt wird, Auf dem Festland ist das bekannteste Beispiel die San-Andreas-Störung in Kalifornien, wo .die Pazifische Platte an der Nordamerikanischen Platte «vorbeischrammt». Wegen der starken Reibung zwischen den Platten erfolgt die Gleitbewegung nicht kontinuierlich, sondern ruckartig und löst dadurch starke Erdbeben aus.

Das Aufdringen des heissen aufsteigenden Magmas und dessen Volumenvergrösserung führen entlang der divergierenden Plattengrenze zu einer Aufwölbung, die allgemein als mittelozeanischer Rücken bezeichnet wird.

Mittelozeanische Rücken liegen weltweit unter dem Meeresspiegel – mit Ausnahme von Island und kleineren Vulkaninseln. Island ist daher zur Erforschung der Vorgänge beim Auseinanderdriften von Platten und dem Seafloor-Spreading sehr bedeutend.

Zur Gebirgsbildung kommt es, wenn zwei kontinentale Platten kollidieren, Wegen der geringen Dichte kann keine Platte in die Asthenosphäre abtauchen, und es kommt zu Verkeilungen, Faltungen und mehrfacher Überschiebung der beiden Platten und damit zur Bildung von hohen Gebirgen. Die Alpen und der Himalaja sind beispielsweise auf diese Weise entstanden.

Ist die Küste eines Kontinents an Subduktionszonen und Transformstörungen gebunden, spricht man wegen der vulkanischen Tätigkeit und häufigen Erdbeben von aktiven Kontinentalrändern.

Weit von Plattengrenzen entfernt liegende Küstenlinien (z. B. die Atlantikküste Europas) weisen keine Vulkane und nur selten Erdebeben auf, weshalb sie als passive Kontinentalränder bezeichnet werden.

Die Vulkanologie ist ein Forschungsbereich der Geologie, der sich mit dem Vulkanismus, seinen Ursachen im Erdinneren und den verschiedenen vulkanischen Erscheinungen an der Erdoberfläche befasst.

Vulkanismus bezeichnet alle Vorgänge, die mit dem Austritt fester, flüssiger oder gasförmiger Stoffe aus dem Erdinneren an die Erdoberfläche in Zusammenhang stehen.

Von den 500 bis 600 aktiven Vulkanen auf der Erdoberfläche (submarine Vulkane nicht mitgezählt) treten 80% an konvergierenden Plattengrenzen auf, 15% an divergierenden Plattenrändern und der Rest innerhalb der Platten.

An den Subduktionszonen bei konvergierenden Plattengrenzen treten meistens explosive Vulkane auf, da diese hauptsächlich zähflüssige, saure bis intermediäre Lava fördern. Wie beim Kochen von Polenta können aus dieser zähflüssigen Lava die Gase schlecht entweichen, wodurch der Druck immer wieder so hoch ansteigt, dass es zu explosionsartigen Ausbrüchen kommt. Zudem kann bei «verstopftem» Schlot durch erstarrte Lava oder Gletscherbildung im Krater der Innendruck so stark steigen, dass es zu heftigen Ausbrüchen und Explosionen und damit zur Wegsprengung ganzerTeile des Vulkans kommt.

Kollidieren zwei ozeanische Platten an einer Subduktionszone, können die aktiven Vulkane mit der Zeit über den Meeresspiegel wachsen und einen vulkanischen Inselbogen bilden (z. B. Japan, Philippinen und Kleine Antillen).

Wird eine ozeanische unter eine kontinentale Platte subduziert, bildet sich in der Nähe des Kontinentalrandes eine vulkanische Bergkette (z. B. die Anden in Südamerika).

An divergierenden Plattengrenzen auf den Kontinenten (Rift-Valley) und in Ozeanen an den mittelozeanischen Rücken fördern effusive (lat. «effundere» = ausfliessen) Vulkane dünnflüssige basaltische Lava. Wie beim kochenden Wasser können aus dieser dünnflüssigen Lava die Gase leicht austreten, was ein ruhiges, gleichmässiges Ausfliessen der Lava ermöglicht. Der vulkanische, dunkle Basalt bildet die gesamte ozeanische Kruste der Erde.

Innerhalb von Platten kann ein Hot Spot («heisser Fleck») zu vulkanischen Aktivitäten führen. Hierbei handelt es sich um einen ortsfesten oder gering bewegten Aufschmelzungsbereich in der Asthenosphäre, von dem heisses, geschmolzenes und daher spezifisch leichteres Gestein schlotartig durch die Lithosphäre hochsteigt und dort aktive Vulkane anwachsen lässt. Da der Hot Spot in der Asthenosphäre ortsfest ist und sich die darüberliegende Lithosphärenplatte bewegt, verlieren ältere Vulkane irgendwann ihreVerbindung zur Magmaquelle des Hot Spots, der nun neue Vulkane zu bilden beginnt. Aus der Kette einzelner Vulkane, die ein Hot Spot hinterlässt, kann die Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung der Lithosphärenplatten bestimmt werden.

Wird das Magma explosionsartig aus dem Vulkan hinausgeschleudert, bezeichnet man das gesamte erstarrte Auswurfmaterial als Pyroklasten: Asche, Lapilli und Bomben.

Dieses feinkörnige Auswurfmaterial mit Korndurchmesser unter 2 mm entsteht durch extremes Zerreissen des Magmas und der Schlotwände und gesteht aus Lava- und Glasteilchen. Die Asche kann bis in die Stratosphäre in Höhen von 40 km gelangen und sich dort weltweit verteilen.

Die runden Lapilli sind aus herausgeschleuderten Magmafetzen enstanden, die sich während des Fluges zu runden Körpern zusammenballen und abkühlen. Die eckigen Lapilli bestehen aus Bruchstücken alter Lava. Eckige und runde Lapilli haben einen Durchmesser zwischen 2 und 64 mm.

Bomben entstehen aus Lavafetzen, die im Flug durch Drehbewegungen eine abgerundete Form erhalten haben und erstarrt zu Boden fallen. Sie sind grösser als die Lapilli und können ein Volumen von mehreren Kubikmetern erreichen.