Heiße Quellen zeigen, wo Kontinentalplatten unter Tibet kollidieren

Im klassischen Beispiel der Bergbildung prallten die indischen und asiatischen Kontinentalplatten aufeinander – und kollidieren bis heute – um die größten und höchsten geologischen Strukturen der Welt zu bilden: das Himalaya-Gebirge und das tibetische Plateau.

Trotz der Bedeutung dieser Formationen, die das globale Klima durch atmosphärische Zirkulation und saisonalen Monsun beeinflussen, haben Experten widersprüchliche Theorien darüber aufgestellt, wie tektonische Platten unter der Oberfläche die ikonischen Giganten geschaffen haben. Nun haben Wissenschaftler anhand von geochemischen Daten aus 225 heißen Quellen die Grenze zwischen der indischen und der asiatischen Kontinentalplatte kartiert und Licht auf tief unter der Oberfläche ablaufende Prozesse geworfen. Die Erkenntnisse, die Auswirkungen auf die Mineralbildung haben, erscheinen in der aktuellen Ausgabe von Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Eine Hauptdebatte unter Geologen ist, ob eine kontinentale Kollision wie eine ozeanische Kollision aussieht oder nicht“, sagte der leitende Studienautor Simon Klemperer, Geophysikprofessor an der Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth). „Weil es zu wenige Messungen gibt, gab uns die Seismologie keine Antwort – deshalb habe ich die Geochemie als eine völlig andere Methode zur Messung von Dingen aufgegriffen.“

Klemperer hat den größten Teil eines Jahrzehnts damit verbracht, nach Tibet und Indien zu reisen, um Proben zu sammeln, die seine Theorie untermauern, dass Chemikalien, die an die Oberfläche sprudeln, verwendet werden könnten, um zu verstehen, was 50 Meilen unter ihm passiert. Er und seine Kollegen spürten abgelegene geothermische Quellen Hunderte von Kilometern über die Berge und das Plateau auf – etwa die Entfernung von Kanada bis Mexiko im Westen der USA

Anhand des Edelgases Helium, das nicht mit anderen Chemikalien reagiert, bestimmten die Studienautoren, welche Quellen von welcher Kontinentalplatte stammen. Eine Heliumisotopensignatur zeigte, wann das Gas aus dem heißen Mantel – der asiatischen Platte – kam, während eine andere Signatur die viel kältere indische Platte anzeigte. Die Forschung zeigt, dass die kältere Platte nur im Süden unter dem Himalaya entdeckt wird, während Indien weiter nördlich Tibet nicht mehr berührt – es ist von Tibet durch einen Keil aus heißem Mantel getrennt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine alte Theorie, dass die indische Platte flach unter Tibet liegt, nicht mehr haltbar ist.

„Es ist erstaunlich, dass wir jetzt diese bemerkenswert gut definierte Grenze von nur wenigen Kilometern Breite an der Oberfläche über einer 100 Kilometer tiefen Plattengrenze haben“, sagte Klemperer.

Subduktion vs. Kollision

Bei der ozeanischen Subduktion wird Material im Untergrund in den Erdmantel recycelt, wenn die kühlere, schwerere Platte unter eine Kontinentalplatte taucht und absinkt. Der Prozess findet in Zonen wie dem Feuerring statt, der für häufige Erdbeben und aktive Vulkane bekannt ist.

Bei der Kontinentalkollision haben Forscher die Hypothese aufgestellt, dass die Subduktion der Ozeankruste die beiden Kontinente näher zusammengezogen hat, bis sie kollidierten, wodurch die Subduktionszone für die Bildung von Bergen geschlossen wurde. Dieser Beweis der kontinentalen Grenze unterhalb Tibets führt zu der Möglichkeit, dass die kontinentale Kruste Flüssigkeiten freisetzt und schmilzt – genau wie es bei einer ozeanischen Subduktion passieren würde.

„Das bedeutet, dass wir die kontinentale Kollision und die ozeanische Subduktion nicht als zwei verschiedene Dinge betrachten sollten – wir sollten sie als dasselbe mit etwas unterschiedlichen Aromen betrachten, weil sie geometrisch gleich aussehen“, sagte Klemperer.

Tektonische Veränderung

In den 1960er Jahren revolutionierte die Theorie der Plattentektonik die Geowissenschaften, indem sie erklärte, wie geologische Platten auseinander- und ineinander driften, was zu Gebirgsbildung, Vulkanausbrüchen und Erdbeben führt. Aber die Forscher verstehen wenig darüber, warum sich Platten so bewegen, wie sie es tun.

Klemperer sagte, die neuen Ergebnisse fügen ein wichtiges Element des Verständnisses hinzu, mit möglichen Auswirkungen darauf, was die Konvektion steuert, die die Plattentektonik antreibt. Obwohl es sich um eine kontinentale Kollision handelt, hilft das Eintauchen der indischen Platte in den Mantel, das Konvektionsmuster zu kontrollieren – es verändert die Art und Weise, wie wir verstehen, wie Elemente und Gesteinsarten auf der Erde verteilt und neu verteilt werden, sagte er.

Die Studie baut auf früheren Untersuchungen auf, in denen Klemperer und seine Kollegen die Kollisionszone des Himalaya anhand seismischer Daten abbildeten und herausfanden, dass, wenn sich die indische tektonische Platte von Süden wegbewegt, der dickste und stärkste Teil der Platte unter das tibetische Plateau eintaucht und Risse verursacht die indische Platte. Diese Tränen befanden sich an der gleichen Stelle wie Heliumflüsse in den heißen Quellen.

„Wir sehen die gleichen Prozesse durch diese verschiedenen Linsen und müssen herausfinden, wie wir sie zusammenfügen können“, fügte Klemperer hinzu.

Mineralische Implikationen

Seit die Spanier auf der Suche nach Gold Südamerika eroberten, wussten Zivilisationen um reiche Mineralienvorkommen an Orten wie den Anden, die Teil des Feuerrings sind. Südtibet wurde in jüngerer Zeit auch als reiche Mineralprovinz anerkannt, mit Gold-, Kupfer-, Blei-, Zink- und anderen Vorkommen, die nur schwer mit den alten Modellen der Kontinentalkollision zu erklären sind.

„Die größten Kupfervorkommen treten in Graniten auf, die durch Schmelzen des heißen Mantelkeils entstehen – das sollte bei einer Kontinentalkollision nicht passieren, wenn es wie beim alten Modell aussieht, aber wir wissen, dass es passiert ist, weil wir all diese Mineralien in Tibet haben. “, sagte Klempner. „Unsere Arbeit sagt uns etwas über die großräumige Tektonik der Kontinentalkollision und legt nahe, dass wir erwarten könnten, in Umgebungen mit Kontinentalkollision die gleiche Art von Mineralvorkommen zu sehen wie in Umgebungen mit ozeanischer Subduktion.“

Als einzige aktive Kontinentalkollision auf unserem Planeten bieten der Himalaya und Tibet auch einen Einblick in die Entstehung anderer Gebirgszüge in der Vergangenheit und in der Zukunft.

„Australien fängt gerade an, mit dem indonesischen Block zu kollidieren – das ist der Beginn einer kontinentalen Kollision“, sagte Klemperer. „Tibet ist das zu lösende Typbeispiel und wir hoffen, dass es ein Analogon für alle anderen ist, wie dies auf der Erde geschieht.“

Tianze Liu, die als Stanford-Doktorandin an dem Projekt mitgearbeitet hat, ist Co-Autorin der Studie. Weitere Co-Autoren stammen von der Chinese Academy of Sciences, der Ohio State University, der University of New Mexico und der Scripps Institution of Oceanography.