Kontinentale Erdkruste

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Übergang von ozeanischer und kontinentaler Kruste an einem passiven Kontinentalrand (Darstellung stark vereinfacht). Man beachte, dass hier sowohl der Bereich mit kontinentaler Kruste, der Kontinentalblock, als auch der Bereich mit ozeanischer Kruste der gleichen Lithosphärenplatte („Kontinentalplatte“) angehören.

Die kontinentale Erdkruste, kurz auch kontinentale Kruste, bildet im Aufbau der Erde zusammen mit der ozeanischen Erdkruste die oberste Gesteinsschicht der Lithosphäre. Sie besteht aus magmatischen Gesteinen mit mittlerem bis hohem SiO2-Gehalt (im Wesentlichen Granitoide), teils mächtigen Sedimenten sowie jeweils daraus entstandenen metamorphen Gesteinen. Wegen des im Vergleich zur ozeanischen Kruste hohen Anteils an Aluminium (Al) und dem generell hohen Anteil an Silicium (Si), ist für die kontinentale Erdkruste (die äußerste Schicht der Erde) auch die vereinfachende Abkürzung Sial (auch SiAl) und der Name SiAl-Schicht gebräuchlich.

Die Dichte der kontinentalen Erdkruste ist mit etwa 2,7 g/cm3 geringer als die der ozeanischen Kruste (etwa 3,0 g/cm3). Beide sind vom lithosphärischen Mantel, dem festen Anteil des oberen Erdmantels, unterlagert. Kruste und lithosphärischer Mantel „schwimmen“ isostatisch auf der Asthenosphäre. Die Mächtigkeit der kontinentalen Kruste beträgt unter Ebenen im Mittel 35 km und steigt gemäß dem isostatischen Verhalten unter hohen Gebirgen auf bis zu 80 km an. Die Mächtigkeit der ozeanischen Kruste ist mit 5–8 km deutlich geringer.

Größere zusammenhängende Bereiche kontinentaler Kruste an der Erdoberfläche werden, unabhängig von eventuell vorhandener Meeresbedeckung, als Kontinentalblöcke oder Kontinentalschollen bezeichnet. Der geographische Begriff „Kontinent“ bezeichnet hingegen nur die trocken liegenden („festländischen“) Areale der Kontinentalblöcke.[1] Die vom Meer bedeckten Bereiche eines Kontinentalblocks werden Schelf genannt. Für kleinere „Schnipsel“ kontinentaler Kruste ist der Begriff Mikrokontinent gebräuchlich.

Gliederung

Vereinfachte Struktur der Erdkruste, Vergleich zwischen gemittelter kontinentaler und ozeanischer Kruste

Die kontinentale Erdkruste gliedert sich in einen oberen, spröden und einen darunterliegenden, duktilen Bereich. Die Grenzzone zwischen den Bereichen wird als Conrad-Diskontinuität bezeichnet.

Ab etwa 10–20 km Tiefe sind Druck und Temperatur so hoch, dass die Hauptmineralbestandteile der Kruste, Quarz und Feldspat, bei tektonischer Beanspruchung nicht mehr spröde, sondern durch Kriechen an Kristallgrenzen oder Umkristallisation duktil reagieren. Im duktilen Bereich lässt sich die Erdkruste plastisch, also bruchlos und dauerhaft, deformieren. Die Lage der Übergangszone ist vom Wärmestrom und dem Fluidgehalt der Erdkruste abhängig. In magmatisch aktiven Regionen mit erhöhtem Wärmefluss und höherer Fluidkonzentration beginnt der duktile Bereich in geringerer Tiefe, die Erdkruste ist daher leichter deformierbar.

Die Kruste wird unten von der Mohorovičić-Diskontinuität (Moho) begrenzt. Darunter befindet sich der lithosphärische Mantel, der bis in etwa 80–120 km Tiefe fest ist und zusammen mit der Erdkruste die lithosphärischen Platten aufbaut. Ein geringer Grad an Aufschmelzung lässt die darunter folgende Asthenosphäre (Erdmantel) plastisch reagieren und ermöglicht somit die Verschiebung der Lithosphärenplatten, wobei die untere Lithosphäre wahrscheinlich auch eine Mobilität jenseits der Kruste besitzen kann (durch Delamination oder Verschiebung).[2]

Chemische Zusammensetzung und Mineralogie

Häufigkeit chemischer Elemente in der kontinentalen Erdkruste (Massenanteil)

Die Erdkruste ist chemisch nicht homogen und wird in eine felsische Oberkruste, die in etwa die Zusammensetzung eines Granits hat, und eine Unterkruste unterteilt. Für die Zusammensetzung der Unterkruste gibt es verschiedene Modelle, die für die Gesamtkruste eine felsische, intermediäre oder mafische Gesamtzusammensetzung fordern. Da die Oberkruste, wie bereits gesagt, felsisch ist, erfordern diese Modelle daher eine mafischere Unterkruste, die Oberkruste wäre demnach erst ein Resultat von postorogenem Magmatismus (siehe S-Typ Granit).[3]

Die Mineralogie der Kruste unterscheidet sich sehr stark, tendenziell nimmt der SiO2 und Wassergehalt mit der Tiefe ab, da entsprechende Minerale mit hohen Gehalten jener Elemente entweder unter höheren Drücken nicht stabil sind, oder dazu neigen bei erhöhten Temperaturen in Schmelze zu gehen und dann aufsteigen. Die Gesteine der unteren Kruste unterliegen in der Regel metamorphen Prozessen, ihre Mineralogie richtet sich daher auch stark nach ihrem Alter, welches in der Regel den Druck/Temperatur Pfad der metamorphen Fazies vorgibt. So können in der Unterkruste eklogit- und blauschieferfazielle Verhältnisse erreicht werden.[4]

Maximales Alter und Entstehung

Die erste kontinentale Kruste entstand im Hadaikum. Als älteste erhaltene mineralische Substanz der Erde gelten einige winzige Zirkonkörner mit einem Alter von bis zu 4,4 Milliarden Jahren (Ga).[5] Es handelt sich um sogenannte detritische Zirkone, die heute in den Jack Hills im Westen Australiens in metamorphen Sedimentgesteinen (Metasedimenten) zu finden sind, deren Ablagerungszeitraum allerdings auf etwa 3 Ga geschätzt wird (sie liegen also nicht mehr in ihrer ursprünglichen Umgebung vor). Die Ergebnisse der Untersuchungen des Verhältnisses der in ihnen enthaltenen stabilen Isotope (δ18O, 176Hf/177Hf) und von Fremdmineral-Mikroeinschlüssen (u. a. Kalifeldspat, Quarz und Monazit).[6] wurden teils als Belege für die Existenz von bereits stark differenzierter granitischer kontinentaler Kruste und von chemischer Verwitterung unter Einfluss von kalten Oberflächenwässern auf der frühen „Urerde“ interpretiert. Diese Interpretationen sind jedoch umstritten, und es besteht lediglich darin allgemeine Übereinstimmung, dass die Zirkone einst nicht in primordialer, sondern zumindest moderat differenzierter Kruste bzw. in zumindest intermediären magmatischen Gesteinen auskristallisierten.[7] Aufgrund des Nachweises von Diamanteinschlüssen in 4,25 Ga alten detritischen Zirkonen aus den Metasedimenten der Jack Hills ist es sehr wahrscheinlich, dass zu diesem Zeitpunkt bereits mindestens zwei Kontinentalblöcke existierten, die miteinander kollidierten.[8]

Es wird davon ausgegangen, dass sich aus Ozean-Ozeanplatten Kollisionen Inselbögen formten, welche durch Inselbogenvulkanismus, gegenseitige Überschiebung von Inselbögen und Unterschiebung ozeanischer Kruste eine krustale-Verdickung stattfand und diese Inselbögen durch weitere „Orogenesen“ langsam immer kontinentaler wurden.[9] Die ältesten bekannten irdischen Gesteine auf der Erde im Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel (umstrittene Datierung: 4,03 Ga[10]) geben einen Hinweis darauf, dass die erste kontinentale Kruste durch Aufschmelzung versenkter ozeanischer Kruste entstand.[11][12] Aufgrund der höheren Erdmanteltemperatur, die für den Zeitraum zwischen 4,5 Ga und 3,0 Ga angenommen wird,[13] sind in diesem Zeitraum vermutlich etwa zwei Drittel der heute vorhandenen Kruste entstanden.[14] Danach sank die Temperatur des Erdmantels, so dass in Subduktionszonen weniger oder keine Aufschmelzung subduzierter ozeanischer Kruste mehr stattfinden konnte (siehe auch TTG-Komplex oder Adakit). Passend zu dieser Theorie tauchen Eklogite als nicht aufgeschmolzene Gesteine der ozeanischen Kruste erst ab etwa 3 Ga vermehrt auf.[15]

Das heutige Fehlen großer Teile der damals entstandenen Kruste ist darauf zurückzuführen, dass ein großer Teil der heutigen Krustengesteine im Rahmen von Gebirgsbildungen bzw. durch den Kreislauf der Gesteine wieder „recycelt“ wurde und eigentlich auf deutlich ältere Kruste zurückgeht. So lassen sich in den meisten Grundgebirgskomplexen der Erde in den Gesteinen meist noch wesentlich ältere Zirkone finden, die auf ein wesentlich höheres Alter des Ursprungsmaterials (Protolith) schließen lassen[16] (siehe auch Grundgebirge Deutschlands). Folglich muss die kontinentale Kruste, wie sie heute in der Regel vorliegt, durch eine ganze Reihe verschiedener geologischer Prozesse ge- und überprägt worden sein. Am Ausgangspunkt der Krustenentwicklung können Inselbögen[17] und/oder ozeanische Plateaus[18] stehen, die im Zuge der Plattenbewegungen wegen ihrer relativ geringen Dichte nicht subduziert werden, sondern an der Oberfläche des Erdkörpers aneinander oder an bereits vorhandenen Kontinentalkernen akkretieren. Während der entsprechenden Gebirgsbildungen kommt es unter anderem zur Entstehung von meist granitoiden Teilschmelzen in der Unterkruste. Die damit verbundene Verarmung der tieferen Krustenniveaus an SiO2 und Platznahme granitoider Plutone in höheren Krustenniveaus führt zu einer vertikalen Differentiation mit Ausbildung einer eher felsischen (sauren) Oberkruste und einer eher mafischen (basischen) Unterkruste. Bei weiterer Erhöhung der Dichte der Unterkruste durch Eklogitisierung sind deren Abscherung und Absinken in den Erdmantel möglich (Delamination).

Andere Studien gehen davon aus, dass es deutlich später verdickte kontinentale Kruste gab, welche isostatisch aus dem Ozean trat. Unterschiedliche Studien, welche Isotopenuntersuchungen von Meerwasser zur Grundlage hatten, kamen hier zu unterschiedlichen Ergebnissen zwischen 3,7 Ga vor heute[19] und 2,5 Ga vor heute[20] eine Studie zum Singhbhum-Kraton geht von einer Heraushebung zwischen 3,3 und 3,2 Ga vor heute aus[21].

Temperatur

Die natürliche mittlere Wärmestromdichte an der Erdoberfläche beträgt 0,065 W/m². Dies entspricht einem mittleren geothermischen Gradienten, das heißt einem durchschnittlichen Anstieg der Temperatur mit der Tiefe, von 3 K pro 100 m. Je nach regionaler geologischer Situation (dominierende Gesteinsart, Krustenmächtigkeit) können diese Werte jedoch deutlich über- oder unterschritten werden.[22]

Literatur

  • Kent C. Condie: Origin of the Earth’s Crust. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. Bd. 75, Nr. 1–2 (Special Issue The Long Term Stability of the Earth System), 1989, S. 57–81, doi:10.1016/0031-0182(89)90184-3.
  • Peter Giese (Hrsg.): Ozeane und Kontinente. Ihre Herkunft, ihre Geschichte und Struktur. Spektrum der Wissenschaft Verlag, Heidelberg 1987, ISBN 3-922508-24-3, S. 1–248.
  • F. Press, R. Siever: Understanding Earth. W.H. Freeman, New York 2000.

Einzelnachweise

  1. ↑ Anmerkung: Im geologischen Sprachgebrauch wird der Begriff „Kontinent“ oft synonym zum hier genutzten Begriff „Kontinentalblock“ bzw. „Kontinentalscholle“ gebraucht.
  2. ↑ Zhensheng Wang, Timothy M. Kusky, Fabio A. Capitanio: Ancient Continental Lithosphere Dislocated Beneath Ocean Basins Along the Mid-Lithosphere Discontinuity: A Hypothesis: Cratonic Roots beneath Oceans. In: Geophysical Research Letters. Band 44, Nr. 18, 2017, S. 9253–9260, doi:10.1002/2017GL074686 (mantleplumes.org).
  3. ↑ R. Taylor, S. McLennan: Planetary Crusts. Their Composition, Origin and Evolution. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2009. ISBN 978-0-521-84186-3
  4. ↑ Sebastian Buntin, Irina M. Artemieva, Alireza Malehmir, Hans Thybo, Michal Malinowski, Karin Högdahl, Tomasz Janik, Stefan Buske: Long-lived Paleoproterozoic eclogitic lower crust. In: Nature Communications. Band 12, Nr. 1, 2021, ISSN 2041-1723, S. 6553, doi:10.1038/s41467-021-26878-5.
  5. ↑ Simon A. Wilde, John W. Valley, William H. Peck, Colin M. Graham: Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature. Bd. 409, 2001, S. 175–178, doi:10.1038/35051550, Alternativzugriff auf Volltext: ResearchGate
  6. ↑ T. M. Harrison, J. Blichert-Toft, W. Müller, F. Albarede, P. Holden, S. J. Mojzsis: Heterogeneous Hadean Hafnium: Evidence of Continental Crust at 4.4 to 4.5 Ga. Science. Bd. 310 (Nr. 5756), 2005, S. 1947–1950, doi:10.1126/science.1117926; siehe auch die darin zitierte Literatur
  7. ↑ John W. Valley, Aaron J. Cavosie, Bin Fu, William H. Peck, Simon A. Wilde: Comment on “Heterogeneous Hadean Hafnium: Evidence of Continental Crust at 4.4 to 4.5 Ga”. Science. Bd. 312 (Nr. 5777), 2006, S. 1139, doi:10.1126/science.1125301
  8. ↑ Martina Menneken, Alexander A. Nemchin, Thorsten Geisler, Robert T. Pidgeon, Simon A. Wilde: Hadean diamonds in zircon from Jack Hills, Western Australia. Nature. Bd. 448 (Nr. 7156), 2007, S. 917–920, doi:10.1038/nature06083
  9. ↑ Cin-Ty A. Lee, Peter Luffi, and Emily J. Chin: Building and Destroying Continental Mantle. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 2011 39:1, 59–90
  10. ↑ Martin Van Kranendonk, Vickie C. Bennett, J. Elis Hoffmann: Earth's oldest rocks. Second edition Auflage. Amsterdam 2019, ISBN 978-0-444-63902-8.
  11. ↑ M.G. Bjørnerud, H. Austrheim: Inhibited eclogite formation: The key to the rapid growth of strong and buoyant Archean continental crust. Geology. Bd. 32, Nr. 9, 2004, S. 765–768, doi:10.1130/G20590.1, Alternativzugriff auf Volltext: Website der University of California Santa Cruz
  12. ↑ Thorsten J. Nagel, J. Elis Hoffmann, Carsten Münker: Generation of Eoarchean tonalite-trondhjemite-granodiorite series from thickened mafic arc crust. Geology. Bd. 40, Nr. 4, 2012, S. 375–378, doi:10.1130/G32729.1. Siehe dazu auch den Artikel Ozeanische Ur-Kruste „schwitzte“ älteste Kontinente aus auf scinexx.de
  13. ↑ S. Labrosse, C. Jaupart: Thermal Evolution of the Earth: Secular Changes and Fluctuations of Plate Characteristics. Earth and Planetary Science Letters. Bd. 260, 2007, S. 465–481, doi:10.1016/j.epsl.2007.05.046
  14. ↑ Bruno Dhuime, Chris J. Hawkesworth, Peter A. Cawood, Craig D. Storey: A Change in the Geodynamics of Continental Growth 3 Billion Years Ago. Science. Bd. 335 (Nr. 6074), 2012, S. 1334–1336 doi:10.1126/science.1216066
  15. ↑ Steven B. Shirey, Stephen H. Richardson: Start of the Wilson Cycle at 3 Ga Shown by Diamonds from Subcontinental Mantle. Science. Bd. 333 (Nr. 6041), 2011, S. 434–436 doi:10.1126/science.1206275
  16. ↑ Chris Hawkesworth, Peter Cawood, Tony Kemp, Craig Storey, Bruno Dhuime: A Matter of Preservation. Science. Bd. 323 (Nr. 5910), 2009, S. 49–50 doi:10.1126/science.1168549
  17. ↑ Esteban Gazel, Jorden L. Hayes, Kaj Hoernle, Peter Kelemen, Erik Everson: Continental crust generated in oceanic arcs. In: Nature Geoscience. Band 8, Nr. 4, April 2015, S. 321–327, doi:10.1038/ngeo2392.
  18. ↑ wie es z. B. für den Arabisch-Nubischen Schild postuliert wird, siehe Mordechai Stein, Steven L. Goldstein: From plume head to continental lithosphere in the Arabian–Nubian shield. Nature. Bd. 382, 1996 773–778, doi:10.1038/382773a0, Alternativzugriff auf Volltext: ResearchGate
  19. ↑ https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU21/EGU21-4701.html
  20. ↑ I. N. Bindeman, D. O. Zakharov, J. Palandri, N. D. Greber, N. Dauphas: Rapid emergence of subaerial landmasses and onset of a modern hydrologic cycle 2.5 billion years ago. In: Nature. Band 557, Nr. 7706, Mai 2018, S. 545–548, doi:10.1038/s41586-018-0131-1.
  21. ↑ https://www.pnas.org/content/118/46/e2105746118
  22. ↑ Ursprung der Erdwärme. In: Webpräsenz des Bundesverbandes Geothermie. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 7. Februar 2018; abgerufen am 6. Februar 2018.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.geothermie.de
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