Die Erdkruste „tropft“ seit Millionen von Jahren unter den Anden

Wie Honig, der langsam von einem Löffel tropft, sinken Teile der felsigen äußersten Schicht der Erdhülle im Laufe von Millionen von Jahren kontinuierlich in die flüssigere Schicht des Planetenmantels. Bekannt als lithosphärisches Tropfen – benannt nach der Fragmentierung von Gesteinsmaterial, aus dem die Erdkruste und der obere Mantel bestehen – führt der Prozess zu erheblichen Verformungen an der Oberfläche wie Becken, Falten der Kruste und unregelmäßigen Erhebungen.

Obwohl der Prozess ein relativ neues Konzept auf dem jahrzehntealten Gebiet der Plattentektonik ist, wurden mehrere Beispiele für lithosphärischen Tropfen auf der ganzen Welt identifiziert – zum Beispiel das zentralanatolische Plateau in der Türkei und das Große Becken im Westen der USA. Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Geowissenschaftlern der University of Toronto bestätigt, dass mehrere Regionen in den zentralen Anden in Südamerika auf die gleiche Weise entstanden sind.

Und sie haben dies mit Materialien getan, die in jedem Baumarkt und Kunstbedarfsgeschäft erhältlich sind.

„Wir haben bestätigt, dass eine Verformung auf der Oberfläche eines Gebiets der Anden einen großen Teil der darunter liegenden Lithosphäre weggeschleudert hat“, sagt Julia Andersen, Ph.D. Kandidat in der Abteilung für Erdwissenschaften an der U of T und Hauptautor einer Studie, die in veröffentlicht wurde Kommunikation Erde & Umwelt.

„Aufgrund seiner hohen Dichte tropfte es wie kalter Sirup oder Honig tiefer in das Planeteninnere und ist wahrscheinlich für zwei große tektonische Ereignisse in den Zentralanden verantwortlich – es hat die Oberflächentopographie der Region um Hunderte von Kilometern verschoben und sowohl geknirscht als auch gestreckt Oberflächenkruste selbst.

„Insgesamt tragen die Ergebnisse dazu bei, eine neue Klasse von Plattentektonik zu definieren, und könnten Auswirkungen auf andere terrestrische Planeten haben, die keine erdähnliche Plattentektonik haben, wie Mars und Venus.“

Lithosphärisches Tropfen tritt auf, wenn Teile der untersten Schicht der äußeren Hülle der Erde dicker werden und beginnen, in den darunter liegenden Mantel zu tropfen, wenn sie auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden.

Beim Einsinken der Bruchstücke in den unteren Mantel bildet dieser zunächst ein Becken an der Oberfläche, das später aufspringt, wenn das Gewicht darunter abbricht und weiter in die tieferen Tiefen des Mantels absinkt. Dies führt zu einem Aufwärtswippen der Landmasse über Hunderte von Kilometern.

Das zentrale Andenplateau wird von den Hochplateaus Puna und Altiplano definiert und entstand erstmals, als die Nazca-Platte während des gut dokumentierten plattentektonischen Subduktionsprozesses, bei dem ein Teil der schwereren von zwei tektonischen Platten absinkt, unter die südamerikanische Platte rutschte in den Mantel, wenn sie zusammenlaufen.

Frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass der spätere Aufstieg der zentralen Andentopographie zeitlich nicht einheitlich war, sondern eher durch sporadische Hebungsimpulse während des gesamten Känozoikums, das vor etwa 66 Millionen Jahren begann, aufgebaut wurde.

Geologische Schätzungen deuten darauf hin, dass der relative Zeitpunkt und Mechanismus der Hebung in der Region und die Art der tektonischen Verformung zwischen den Hochebenen von Puna und Altiplano unterschiedlich sind. Das Puna-Plateau zeichnet sich durch eine höhere durchschnittliche Höhe aus und umfasst mehrere isolierte Binnenbecken wie das Arizaro-Becken und das Atacama-Becken sowie ausgeprägte Vulkanzentren.

„Verschiedene Studien berufen sich auf die Entfernung der Lithosphäre, um die weit verbreitete, nicht subduktionsbedingte Oberflächenverformung und Entwicklung der Plateaus zu erklären“, sagt Geowissenschaftler Professor Russell Pysklywec, Mitautor der Studie und Andersens Ph.D. Supervisor. „Darüber hinaus ist die Krustenverkürzung im Inneren des Arizaro-Beckens durch Falten und lokale Überschiebungen gut dokumentiert, aber das Becken ist nicht durch bekannte tektonische Plattengrenzen begrenzt, was darauf hindeutet, dass ein lokalerer geodynamischer Prozess stattfindet.“

Geowissenschaftler haben die Sedimentgesteinsaufzeichnungen verwendet, um Änderungen der Oberflächenhöhe der Zentralanden seit dem Miozän vor etwa 18 Millionen Jahren zu verfolgen. Die seismische Bildgebung liefert ein entferntes Bild des Erdinneren, ähnlich wie ein Ultraschall für einen menschlichen Körper, und beleuchtet eine neue Sicht auf die lithosphärischen Tropfstrukturen.

Andersen und ihre Kollegen sagen, dass frühere geologische Studien Beweise für lithosphärische Tropfen in der Region liefern, aber die dynamischen Prozesse des lithosphärischen Tropfens und ihre Rolle beim Antreiben der lokalen Oberflächentektonik in diesen angeblichen geologischen Fällen sind ungewiss. Vorhersagen geodynamischer Modelle wurden größtenteils nicht im Kontext direkter regionaler geologischer oder geophysikalischer Beobachtungen getestet.

Also machte sich das Team daran, analoge Labormodelle mit geologischen und geophysikalischen Einschränkungen zu entwickeln, um nachzubilden, was über Tausende von Jahrhunderten geschah, und ihre Hypothese zu testen, dass die topografische und tektonische Entwicklung der Hinterlandbecken der zentralen Anden durch lithosphärische Tropfprozesse verursacht wurde.

„In Anbetracht der massiven Zeit- und Längenskalen, die an diesen Prozessen beteiligt sind – Millionen von Jahren und Hunderte von Kilometern – haben wir innovative dreidimensionale Laborexperimente entwickelt, bei denen Materialien wie Sand, Ton und Silikon verwendet wurden, um skalierte analoge Modelle der Tropfprozesse zu erstellen“, sagte Andersen sagt. „Es war, als würde man tektonische Berggürtel in einem Sandkasten erschaffen und zerstören, während man auf einem simulierten Magmabecken schwimmt – alles unter unglaublich präzisen, im Submillimeterbereich gemessenen Bedingungen.“

Die Modelle wurden in einem Plexiglastank mit einer Reihe von Kameras konstruiert, die über und neben dem Tank positioniert waren, um alle Änderungen zu erfassen. Der Tank wurde zuerst mit Polydimethylsiloxan (PDMS) gefüllt – einer Silikonpolymerflüssigkeit, die ungefähr 1.000 Mal dicker als Tafelsirup ist – um als unterer Erdmantel zu dienen. Als nächstes wurde der oberste feste Abschnitt des Mantels mit einer Mischung aus PDMS und Modelliermasse nachgebildet und auf dem Mantel in den Tank gelegt. Als Erdkruste wurde schließlich eine sandartige Schicht aus einer Mischung aus Präzisionskeramikkugeln und Quarzkugeln daraufgelegt.

Die Forscher aktivierten das Modell, indem sie einen hochdichten Samen in die PDMS- und Modelliertonschicht einführten, um einen Tropfen zu initiieren, der anschließend durch die Schwerkraft nach unten gezogen wurde. Die Kameras außerhalb des Tanks liefen ununterbrochen und nahmen ungefähr jede Minute ein hochauflösendes Bild auf.

„Das Tropfen tritt über Stunden auf, sodass Sie von einer Minute zur nächsten nicht viel sehen würden“, sagt Andersen. „Aber wenn Sie alle paar Stunden nachsehen würden, würden Sie die Veränderung deutlich sehen – es erfordert nur Geduld.“ Die Studie präsentiert Schnappschüsse von allen 10 Stunden, um den Fortschritt des Tropfens zu veranschaulichen.

Die Forscher verglichen dann die Größe des Tropfs und die Schäden an der Nachbildung der Kruste in ausgewählten Zeitintervallen, um zu sehen, wie ihre skalierten Prozesse mit den Sedimentaufzeichnungen der betreffenden Gebiete über Millionen von Jahren übereinstimmten.

„Wir haben unsere Modellergebnisse mit geophysikalischen und geologischen Studien verglichen, die in den zentralen Anden, insbesondere im Arizaro-Becken, durchgeführt wurden, und fanden heraus, dass die durch den Tropf verursachten Höhenänderungen der Kruste in unseren Modellen sehr gut mit den Höhenänderungen des Arizaro übereinstimmen Becken“, sagt Andersen. „Wir haben auch eine Krustenverkürzung mit Falten im Modell sowie beckenartige Vertiefungen auf der Oberfläche beobachtet, sodass wir zuversichtlich sind, dass ein Tropf sehr wahrscheinlich die Ursache für die beobachteten Verformungen in den Anden ist.“

Die Forscher schlagen vor, dass die Ergebnisse darauf abzielen, die Verbindung zwischen Mantelprozessen und Krustentektonik zu klären und wie solche geodynamischen Prozesse mit beobachteten oder gefolgerten Episoden der Lithosphärenentfernung interpretiert werden können. „Die Entdeckungen zeigen, dass die Lithosphäre flüchtiger oder flüssiger sein kann, als wir angenommen haben“, sagt Pysklywec.