Geschichte der Theorie der Plattentektonik
Kontinentaldrift
Nachdem einige Forscher bereits ähnliche Gedanken geäußert hatten, war es vor allem Alfred Wegener, der in seinem 1915 veröffentlichten Buch Die Entstehung der Kontinente und Ozeane aus der teilweise sehr genauen Passung der Küstenlinien auf beiden Seiten des Atlantiks folgerte, dass die heutigen Kontinente Teile eines großen Urkontinents gewesen sein müssen, der in der erdgeschichtlichen Vergangenheit auseinandergebrochen war. Die Passung ist noch genauer, wenn man nicht die Küstenlinien, sondern die Schelfränder, das heißt die untermeerischen Begrenzungen der Kontinente betrachtet. Wegener nannte diesen Urkontinent Pangaea und den Prozess des Auseinanderbrechens und Auseinanderstrebens seiner Bruchstücke Kontinentaldrift. Wegener sammelte zwar viele weitere Belege für seine Theorie, jedoch konnte er keine überzeugenden Ursachen für die Kontinentaldrift benennen. Eine vielversprechende Hypothese kam von Arthur Holmes (1928), der vorschlug, dass Wärmeströme im Erdinneren genügend Kraft erzeugen könnten, um die Erdplatten zu bewegen. Zu diesem Zeitpunkt konnte sich seine Hypothese jedoch nicht durchsetzen.
Ab 1960: Ozeanböden, Subduktion, Erdmessung
Der Paradigmenwechsel zum Mobilismus setzte deshalb erst etwa um 1960 vor allem durch die Arbeiten von Harry Hammond Hess, Robert S. Dietz, Bruce C. Heezen, Marie Tharp, John Tuzo Wilson und Samuel Warren Carey ein, als man grundlegend neue Erkenntnisse über die Geologie der Ozeanböden erlangte.
- Man erkannte zum Beispiel, dass die Mittelozeanischen Rücken vulkanisch aktiv sind und dass dort an langen Bruchspalten große Mengen basaltischer Lava austreten, meist in Form von Kissenlava.
- Bei paläomagnetischen Messungen dieser Basalte entdeckte man, dass die wiederholte Umpolung des Erdmagnetfelds im Laufe der Erdgeschichte ein spiegelsymmetrisches „Streifenmuster“ auf beiden Seiten des Mittelatlantischen Rückens erzeugt hatte.[4]
- Außerdem erkannte man, dass die Sedimentgesteine, die die Tiefseeböden bedecken, in größerer Entfernung von den Mittelozeanischen Rücken auch immer mächtiger und älter werden.
Die einleuchtendste Erklärung für diese Phänomene war, dass der ständige Austritt basaltischen Magmas an den langgezogenen mittelozeanischen Bruchzonen Teil eines Prozesses ist, durch welchen der Ozeanboden in entgegengesetzte Richtungen auseinandergedrückt wird, sodass er sich im Laufe der Zeit immer weiter ausdehnt (Seafloor Spreading).
Da es keine Anzeichen dafür gibt, dass sich der Radius der Erde im Laufe ihres Bestehens kontinuierlich vergrößert, wie es z. B. in Careys Expansionstheorie gefordert wurde, liegt der Gedanke nahe, dass die in Form ozeanischer Kruste neu gebildete Erdoberfläche an anderer Stelle wieder verschwinden muss. Dieser Ansatz wird durch die Tatsache gestützt, dass sich in den heutigen Ozeanen (abgesehen von tektonischen Sonderpositionen wie im Mittelmeer) keine Lithosphäre findet, die älter ist als 200 Millionen Jahre (Mesozoikum). Die Hälfte der Meeresböden aller Ozeane ist nicht einmal älter als 65 Millionen Jahre (Känozoikum). Dadurch wurde die ursprüngliche Vorstellung widerlegt, nach der die Ozeane uralte Vertiefungen seien, die sich zusammen mit den Kontinenten schon bei der Formung der ersten festen Kruste um die glutflüssige Urerde gebildet hatten. Stattdessen bestehen die Ozeanböden, verglichen mit den Kontinenten, aus geologisch außerordentlich jungen Gesteinen. Unter Berücksichtigung der kontinuierlichen Ozeanbodenbildung an den Mittelozeanischen Rücken, kann hieraus zudem der Rückschluss gezogen werden, dass vor dem Mesozoikum gebildete Ozeanböden wieder von der Erdoberfläche verschwunden sein müssen.
Als Ort des Verschwindens von ozeanischer Lithosphäre wurden in den 1970er Jahren die Tiefseerinnen erkannt, die vor allem den Pazifischen Ozean umgeben. Wegen der damit verbundenen starken seismischen und vulkanischen Aktivität wird diese Zone auch als Pazifischer Feuerring bezeichnet.
- Geophysikalische Messungen offenbarten dort schräg geneigte seismische Reflexionsflächen (Benioff-Zone), an denen ozeanische Kruste unter kontinentale (oder andere ozeanische) Kruste geschoben wird und absinkt. Typisch für diese Zonen sind die tiefen Erdbeben, deren Hypozentren in Tiefen von 320 bis 720 km liegen können. Dieser Befund wird mit den Phasenumwandlungen der Minerale in der subduzierten Platte erklärt.
- Als Unterlage, auf der die Lithosphäre seitlich driften kann, gilt die rund 100 km mächtige Asthenosphäre. Sie wird auch „Low-Velocity Zone“ (dt. „Zone langsamer Geschwindigkeit“) genannt, da sich die seismischen P- und S-Wellen nur langsam durch sie hindurchbewegen. Die niedrigen Wellengeschwindigkeiten erklärt man sich durch eine generell geringere Festigkeit der Asthenosphäre gegenüber der Lithosphäre und dem tieferen Erdmantel. Hierbei scheint die oberste Schicht der Asthenosphäre mechanisch besonders schwach zu sein und eine Art Film zu bilden, auf dem die Lithosphäre gleiten kann.[1][2]
Die neuen Methoden der Satellitengeodäsie und des VLBI, die sich in den 1990ern der Zentimeter-Genauigkeit näherten, liefern einen direkten Nachweis der Kontinentaldrift. Die Geschwindigkeit der Ozeanboden-Spreizung beträgt einige Zentimeter pro Jahr, variiert aber zwischen den einzelnen Ozeanen. Die geodätischermittelten Driftraten zwischen den großen Platten liegen zwischen 2 und 20 cm pro Jahr und stimmen mit den geophysikalischen NUVEL-Modellen weitgehend überein.
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ES GEHÖRT SCHON EINE MENGE VON DREISTIGKEIT, FALSCHHEIT, UND VERLOGENHEIT ÜBER DIE PLATTENTEKTONIK ZU SCHREIBEN, WIE NACHSTEHEND ZU LESEN, OHNE EIN EINZIGES WORT ÜBER WEGENERS THEORIE DER KONTINENTALDRIFT ZU VERLIEREN.
DARAN LÄSST SICH ERKENNEN, WIE ROTT, MORSCH UND WAHRHEITSVERTUSCHEND DAS GANZE MILIEU DER GEOMAFIA TATSÄCHLICH IST. ZWEI IHREN VERTRETERN IST ES BEISPIELSWEISE ERLAUBT, AN DER UNI GÖTTINGEN DAS STEUERGELD ZU VERBRAUCHEN UND IM GEGENZUG DAFÜR LÜGEN ZU VERBREITEN.
HAPPY BIRTHDAY, LIARS!
HAPPY BIRTHDAY, LIARS!
JERZY CHOJNOWSKI
CHAIRMAN-GTVRG e:V.
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March 16, 2018
Happy birthday plate tectonics!
Posted by Tom Gleeson
Post
by Elco Luijendijk, a junior lecturer, and David Hindle, lecturer and head of
geodynamic modelling, both at the Department of Structural Geology and
Geodynamics at the University of Göttingen, in Germany.
https://blogs.agu.org/waterunderground/2018/03/16/happy-birthday-plate-tectonics/
Geowissenschaftliches Zentrum der Universität Göttingen
Abteilung Strukturgeologie und Geodynamik
Goldschmidtstr. 3, 37077 Göttingen
strukturgeologie@geo.uni-goettingen.de
https://blogs.agu.org/waterunderground/2018/03/16/happy-birthday-plate-tectonics/
As
we’ve firmly moved into 2018, we can say happy 50th birthday to one of the most
revolutionary scientific theories of the last century: plate tectonics. Here we
discuss the birth of plate tectonics and what it means for hydrogeology.
Plate
tectonic theory explains the how the Earth’s surface is formed and how it
consists of rigid plates on top of a layer that is called the asthenosphere and
that behaves like a slow-moving liquid. The plates move around, collide and
subduct beneath each other. Plate tectonics successfully explains many features
of the surface of the Earth, such as mountain belts at the collision zones of
plates, ocean basins at places where plates move apart and the concentration of
earthquakes near plate boundaries. For instance it is quite easy to recognize
the boundaries of tectonic plates if you look at the earthquake distribution in
Figure 2.
Fig. 1 Plate
tectonics birthday cake, showing one tasty tectonic plate (left) subducting
below another (right). Source:
http://sara-geologicventures.blogspot.de/2012/05/cake-subduction-zone.html
Actually,
depending on your definition either 2017 or 2018 is the 50th birthday of plate
tectonics. The story why this is the case is a bit complex. Jason Morgan first
presented the theory at meeting of the American Geophysical Union (AGU) in
1967. However, the first paper on the mathematical principle of the movement of
tectonic plates was published in the same year by McKenzie and Parker (1967).
Jason Morgan’s paper (Morgan 1968) is the first one to clearly demonstrate the
global geometry of all the major tectonic plates, but had got delayed by
peer-review for over a year. The development of plate tectonics involved many
scientist and several earlier theories, such as seafloor spreading (which
showed that ocean basins were split in two halves that were moving apart).
There are surprisingly few books available on the history of plate tectonics,
but one that is definitely an enjoyable read is “Plate Tectonics: An Insider’s
History Of The Modern Theory Of The Earth” (Oreskes 2003). It is a fascinating
collection of stories by most of the scientist that were involved in the
development of the theory.
Fig. 2 Plate boundaries on earth, with earthquakes > M6.5, since the year 2000,
and with selected relative motion arrows for plate pairs – the motions shown
are always those between adjacent plates. Double arrows imply spreading –
moving apart of plates, mostly on oceanic ridges, while single arrows imply
either strike slip motion (California and the San Andreas fault for instance)
or convergence (either subduction of an oceanic plate under a continental one –
under the Andes mountains in South America as an example, or collision of two
continental plates as between India and Eurasia in the Himalayas for instance).
Earthquakes are clearly concentrated on plate boundaries. This map was made
using GMT (http://gmt.soest.hawaii.edu/).
Ok,
that is all very interesting, but you could ask the question: what does plate
tectonics have to do with Water Underground?
In
some regards not much. We can often ignore plate tectonics when looking at
groundwater flow. Hydrogeologists tend to study groundwater supply and
pollution on human time and space scales. Because plates move very slowly (up
to tens of mm per year), on short timescales the subsurface can be regarded as
static layer of rocks that does not move or deform. However, most of the
groundwater on our planet is old, and has infiltrated to the subsurface ten
thousand years ago or earlier (Jasechko et al. 2017). The oldest groundwater
that we know is 1.5 billion years old and was found at 2 km depth in a mine in
near Timmins, Canada (Holland et al. 2013). Over its long history it was part
of ancient and long disintegrated continents and the plate that holds this
water moved from an area south of the equator to its present position.
Plate
tectonics affect groundwater. Especially in deeper (several kilometers) parts
of the crust, the groundwater pressure, salinity and composition that we
encounter today are often the result of a long geological history. Over time,
sediments were added and removed by erosion, layers were compacted, folded
and/or faulted, which affected groundwater flow and its interaction with the
rocks that contain it.
The
reverse is also true: groundwater affects plate tectonics. This is perhaps most
important near mid-ocean ridges, where two plates move apart, and new crust is
being added to these plates all the time. There is abundant evidence for strong
circulation of seawater through the subsurface, which cools the hot new crust,
reacts with the rocks around it and changes the chemistry of the crust and the
ocean. The most visible evidence are so-called black smokers (Figure 3), where
hot (350 ˚C) water discharges into the ocean through fissures in the crust and
carries along black plumes full of dissolved minerals. At the opposite end of
the plates, the presence of water underground changes how easy or hard it is
for one plate to subduct beneath another in a plate collision zone, as was
discussed at a recent AGU conference (link to session), 50 years after the AGU
conference where Jason Morgan presented his theory. On a smaller scale, faults
that enable the stacking of rocks in plate collision zones (mountain belts) or
the breaking apart of rocks in rift zones (where plates split up), are
dependent on the presence of groundwater. Even before the advent of plate
tectonics Hubbert and Rubey (1959), showed that water in fault zones can act as
a kind of lubricant that enables two adjacent blocks of rocks to move past each
other. Because this movement gives rise to earthquakes, groundwater may also
play an important role in the earthquake cycle. This role is still heavily
debated and is researched by drilling deep wells in faults at plate boundaries,
such as at the San Andreas fault in California (Zoback et al. 2010) or the
Nankai through (Hammerschmidt et al. 2013).
Without
sufficient groundwater plate tectonics may not exist on our planet. The
movement of tectonic plates depends on how easily the rocks below these plates
can deform. At these depths, high pressures and temperatures promote the slow
deformation of the crystals that make up the rocks at this depth. The
mechanisms that cause the deformation of crystals are termed “creep”. Whether
or not the rock contains water (in the form of -OH groups) affects creep: generally,
“wet” minerals are up to a factor of 10 “softer” than “dry” ones. The actual
physics and chemistry of how -OH affects and weakens different minerals is not
entirely clear. Creep is also essential for the convection of the earth’s
mantle, which controls the escape of heat from our planet’s interior and
provides the energy to drive plate tectonics. Without convection, there would
be no plate tectonics, so the presence of water throughout the earth’s crust,
and its continued reintroduction to the earth’s mantle by the subduction of
tectonic plates seems to be a key component driving the system, or at least,
helping it to keep moving along.
There
are many more links between groundwater and geologic processes, too many to
cover in a short blog item like this. However, the current state of our
understanding is summarized in a highly recommended book “Groundwater in
geologic processes”. Many aspects of groundwater flow and its links with
geological processes in newly formed, colliding or subducting plates are still
uncertain and studied by hydrogeologists, which means that 50 years after the
publication of the theory of plate tectonics, many discoveries still lie ahead.
Fig: 3 A black smoker at the mid Atlantic ridge emitting hot groundwater into the
ocean from newly formed oceanic crust. Copyright: MARUM – Center for Marine
Environmental Sciences, University of Bremen.
Links:
1:
McKenzie and Parker (1967) https://www.nature.com/articles/2161276a0
2:
Morgan (1968): http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/JB073i006p01959/full
3:
Oreskes (2003):
https://www.routledge.com/Plate-Tectonics-An-Insiders-History-Of-The-Modern-Theory-Of-The-Earth/Oreskes/p/book/9780813341323
4:
Jassechko et al. (2017): https://www.nature.com/articles/ngeo2943
5:
AGU fall meeting session (2017):
http://agu.confex.com/agu/fm17/meetingapp.cgi/Session/31184
6:
Hubbert and Rubery (1959):
https://pubs.geoscienceworld.org/gsabulletin/article-lookup/70/2/115
7:
Zoback et al. (2010): http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2010EO220001/full
8:
Hammerschmidt et al. (2013):
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004019511300098X
9:
Ingebritsen et al. (2006) Groundwater in geologic processes.
http://www.cambridge.org/de/academic/subjects/earth-and-environmental-science/hydrology-hydrogeology-and-water-resources/groundwater-geologic-processes-2nd-edition?format=PB&isbn=9780521603218#RcR6adP330ESbBPk.97
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