Neue Erkenntnisse zu Gesteinsbewegungen aus dem Erdinneren

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Geologen aus Heidelberg und Frankfurt simulieren thermo-mechanisches Verhalten eines Weißschiefers aus den Alpen

Bewegungen von Gesteinen aus der Tiefe der Erde an die Erdoberfläche könnten unter anderen Bedingungen ablaufen als bisher angenommen, was Auswirkungen auf das aktuelle Verständnis von Plattentektonik und Gebirgsbildung hätte. Belege dafür hat ein Forschungsteam mit Beteiligung von Lucie Tajcmanová, Geologin an der Universität Heidelberg, gefunden. Mithilfe von numerischen Simulationen untersuchten Wissenschaftler aus Frankfurt und Heidelberg einen Weißschiefer aus den Alpen, der sich aufgrund seiner Mineralzusammensetzung besonders gut zur Erforschung von Gebirgsbildungsprozessen eignet. Die Analysen stellen bisherige Annahmen zu großen vertikalen Gesteinsverschiebungen im Zuge solcher Prozesse infrage.

Die Kontinente bestehen zu großen Teilen aus orogenen Gürteln. Dabei handelt es sich um langgestreckte, oft bogenförmige Gebirgsketten, die zum Beispiel durch den Zusammenstoß von Erdplatten entstanden sind. Sie enthalten Gestein aus dem Erdinneren, das an die Oberfläche bewegt wurde, wie Prof. Tajcmanová erläutert. Die Geologin untersucht mit ihrer Forschungsgruppe am Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg mineralogische und petrologische Prozesse in der Erdkruste sowie im Erdmantel. Sinken Platten in das Erdinnere hinab, wandern auch Gesteine mit ihnen in die Tiefe. Unter dem dort herrschenden extremen Druck werden sie in andere Gesteinsarten umgewandelt. Im Rahmen von Gebirgsbildungsprozessen können diese in der Tiefe begrabenen und unter ,,Ultra High Pressure" (UHP) entstandenen Gesteine wieder emporsteigen. Ihre Verschüttungsund Freisetzungsgeschichte liefert wichtige Hinweise auf die Mechanismen der Plattentektonik und der Gebirgsbildung.

Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass UHP-Gesteine in einer Tiefe von etwa 120 Kilometern begraben waren und mit den Platten unter gleichmäßig abnehmendem Umgebungsdruck wieder an die Erdoberfläche zurückkehrten. Untersuchungen an einem Weißschiefer aus dem Dora-Maira-Massiv in den italienischen Westalpen stellen diese Annahme nun infrage. Dieser Schiefer entstand während der Alpenbildung aus einem flüssigkeitsveränderten Granit; dieser weist eine besondere Chemie und damit Mineralogie auf. Das im Gestein enthaltene Siliziumdioxid (SiO2) verwandelt sich unter dem extremen Druck in der Tiefe in Coesit, ein High-Pressure-Polymorph von SiO2, das heißt in ein Mineral mit der gleichen Zusammensetzung, aber unterschiedlicher Kristallstruktur. Die lichtmikroskopischen Untersuchungen der sehr dünnen Gesteinsproben, die an der Universität Heidelberg präpariert wurden, enthüllten eingebettet in das ,,Wirtsmaterial" Granat zwei SiO2-Polymorphe - das unter Hochdruck entstandene Coesit sowie seine Modifikation Quarz, die unter weit weniger hohem Druck entsteht.

Aufgrund der räumlichen Anordnung dieser Mineralien - das Siliziumdioxid-Polymorph Quarz bildet an bestimmten Stellen der Gesteinsproben Ringe um die Coesitkristalle - gehen die Wissenschaftler davon aus, dass der Schiefer erst sehr hohem und anschließend viel niedrigerem Druck ausgesetzt war. Von den SiO2-Einschlüssen gingen im Granat radiale, speichenförmige Risse nach allen Seiten aus - das Ergebnis des Phasenübergangs von Coesit zu Quarz. Mithilfe von Computermodellen simulierten die Forscherinnen und Forscher das thermo-mechanische Verhalten des Granats. Diese Modellierung ergab, dass sich die Risse wesentlich früher gebildet haben könnten, als dies bislang für möglich gehalten wurde. Ein solches Rissmuster kann sich nur bilden, wenn der Granat trotz der großen Spannungen stark bleibt, wie Studienleiter Thibault Duretz von der Universität Frankfurt erläutert. Dies ist nur möglich, wenn der Druck sehr schnell abfällt. ,,Wir sprechen immer noch von tausenden oder sogar hunderttausenden Jahren; das jedoch sind Zeiträume, die in der Geologie durchaus als kurz gelten", betont Lucie Tajcmanová.

Der schnelle Druckabfall steht der Annahme entgegen, dass UHP-Gesteine eine Tiefe von 120 Kilometern erreichen. ,,Der Aufstieg würde wesentlich länger dauern, als unsere Daten nahelegen", sagt Tajcmanová. Wahrscheinlicher ist nach den aktuellen Erkenntnissen eine Tiefe von 60 bis 80 Kilometern. Zugleich vermuten die Forscherinnen und Forscher, dass sich nicht etwa Gesteinseinheiten kontinuierlich über große Entfernungen aus der Tiefe an die Erdoberfläche bewegt haben; vielmehr habe es schnelle tektonische Prozesse mit rapiden Druckveränderungen und ruckartigen vertikalen Verschiebungen von Platten über kurze Distanzen gegeben. ,,Damit wären bisherige Annahmen zu den Vorgängen, die Gestein aus dem Inneren der Erde an die Oberfläche befördern, hinfällig, was auch Auswirkungen auf unser Verständnis von Plattentektonik und Gebirgsbildung hätte", so Lucie Tajcmanová.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ,,Nature Communications" veröffentlicht.

C. Luisier, L. Tajcmanová, P. Yamato, T. Duretz: Garnet microstructures suggest ultra-fast decompression of ultrahigh-pressure rocks. Nature Communications (27 September 2023).