• 08.07.2015
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Plattentektonik im Sandkasten

Frank Zwaan

Der Prozess der Plattentektonik erklärt, weshalb die Oberfläche der Welt langsam, aber stetig in Bewegung ist. In Echtzeit lassen sich diese grossräumigen Veränderungen in der Erdkruste nicht untersuchen. Mithilfe eines Sandkastenmodells und eines Röntgentomographen ist es Geologen der Universität Bern jedoch gelungen, tektonische Entwicklungen im Labor zu simulieren.

Im Laufe von Millionen von Jahren verschoben sich Kontinente über die ganze Erde, Gebirgsketten erhoben sich, Ozeane öffneten und schlossen sich wieder. Die Plattentektonik fasziniert Geologen seit langem und stellt sie immer wieder vor neue Herausforderungen. So fehlen beispielsweise viele Daten: Oft sind die Gesteine, die wichtige Hinweise liefern könnten, nicht sichtbar, weil sie entweder unter einer Sedimentschicht verborgen liegen oder schon längst erodiert worden sind. Zudem ist die Dimension des tektonischen Systems gewaltig: Es umfasst die gesamte Erde und reicht in eine Tiefe von bis zu 200 Kilometer. Geologen versuchen, mit seismischen Untersuchungen und Bohrungen die tiefen Strukturen sichtbar zu machen. Trotzdem sind selbst die geologischen Strukturen der Alpen heute noch nicht genau bekannt. Eine weitere Knacknuss ist die Zeit: Die Platten bewegen sich sehr langsam, mit höchstens einigen Zentimetern pro Jahr. Dieser Effekt ist nicht direkt beobachtbar, ausser vielleicht bei einem Erdbeben oder einem Vulkanausbruch. Verglichen mit der gesamten Plattentektonik sind dies jedoch nur kleinräumige, lokale Phänomene. Um die Plattentektonik trotz dieser Einschränkungen untersuchen zu können, greifen die Forscher auf Modelle zurück. Damit wollen sie die heutigen geologischen Strukturen besser verstehen und gleichzeitig herausfinden, wie diese entstanden sind. Computerberechnungen – sogenannte numerische Modelle – sind eine Möglichkeit, dies zu erreichen. Die Forscher des Strukturgeologischen Labors der Universität Bern haben sich jedoch für eine andere Methode entschieden: Sie modellieren die Plattentektonik physisch mit dem Sandkastenmodell.

Simulation mit Sand und Silikon
Um ein System im Labor korrekt modellieren zu können, sind Materialien nötig, die im kleinen Massstab und in kürzerer Zeit – also in Zentimetern statt Kilometern und in Stunden statt Jahrmillionen – genauso reagieren wie die Gesteine in der Erdkruste. Um die obersten Erdschichten nachzuahmen, die sich spröde verformen, setzten die Berner Forscher Sand ein. Daher der Name «Sandkastenmodell ». Tiefere und weichere Schichten modellierten sie mit Silikon, einer zähen, sehr langsam fliessenden Flüssigkeit. Ist der Sandkasten einmal mit verschiedenen Schichten gefüllt, wird er verformt: Mit Hilfe einer Maschine haben die Geologen das Modell zusammengeschoben, um eine Gebirgskette zu bilden. Oder sie haben es auseinandergezogen und so einen Graben entstehen lassen. Während der Verformung fotografierten sie die Oberfläche im Sandkasten immer wieder, um festzuhalten, wie sie sich verändert. Schwieriger ist es, die internen Strukturen zu beobachten. Eine Möglichkeit ist,das Modell zu befeuchten und anschliessend wie einen Kuchen aufzuschneiden. Da das Modell dabei zerstört wird, macht man dies erst am Ende eines Experiments. Durch das Aufschneiden lässt sich erkennen, welche Strukturen entstanden sind. Allerdings kann man den dynamischen Prozess nicht nachvollziehen, in dem diese Strukturen entstanden sind.

Geometrie von Grabenstrukturen
Zurzeit entwickeln die Berner Geologen Dehnungsmodelle, mit denen sie die Entstehung von Grabenstrukturen, wie etwa des Rheingrabens zwischen den Vogesen und dem Schwarzwald, zu simulieren versuchen. Bei Gräben sinkt ein Gebiet zwischen Randbrüchen ab. Dauert dieser Prozess lange genug an, können sich Kontinente trennen, und dazwischen öffnet sich ein Ozean. Die Berner Forscher interessiert dabei insbesondere das Phänomen der Transfer-Zonen, auch Verbindungszonen genannt. Wenn Erdplatten auseinander gezogen werden, bilden sich Dehnungsstrukturen (Gräben). Sie entstehen bevorzugt dort, wo die Kruste aufgrund früherer Verformungsphasen bereits geschwächt ist. Die Schwächezonen verlaufen im Untergrund meist nicht geradlinig. Deshalb entwickeln sich mehrere Gräben versetzt zueinander. Dazwischen entstehen mit der Zeit Transferzonen, welche die Gräben verbinden. Auf diese Weise bildet sich ein durchgehendes Dehnungssystem. Die Berner Geologen führten einige Experimente durch, um dieses System zu testen. Ziel war es, zwei Gräben entstehen zu lassen und dann zu beobachten, was geschieht, wenn etwas im System verändert wird. Um die Lage der Gräben zu steuern, legten die Forscher zwei parallel liegende schwache Zonen an. Dazwischen befand sich eine weitere schwache Zone, deren Geometrie je nach Experiment abgeändert wurde. So wollten die Forscher herausfinden, welche Parameter für die Entwicklung einer Transfer-Zone wichtig sind. Die Resultate der ersten Modellierung zeigten, dass sich zwischen den zwei Gräben im Abstand von neun Zentimetern eine deutliche Verbindung entwickelt, wenn die dazwischen liegende, schwache Zone in einem Winkel von 45 Grad verläuft. Hingegen entstand bei einem Winkel von 90 Grad (Modell 2) gar keine Verbindung. In einer dritten Modellierung verringerten die Geologen den Abstand zwischen den Gräben auf drei Zentimeter, wodurch wieder eine Verbindung entstand. Daraus folgerten die Forscher, dass für die Entstehung einer Verbindung einerseits der Abstand zwischen den Strukturen wichtig ist, andererseits aber auch der Winkel der schwachen Zone zwischen den Gräben.

Geduld und Technik
Die Berner Geologen werden nun ihre Experimente verfeinern, um die Details besser zu verstehen, insbesondere die Geometrie und Kinematik der Transfer-Zonen. Dafür arbeiten sie mit Forschern aus dem Ausland zusammen, analysieren deren Ergebnisse und vergleichen die eigenen Resultate mit Computermodellen. Darüber hinaus entwickeln sie neue Maschinen, um andere Versuchsanordnungen modellieren zu können. Mit viel Geduld und raffinierten Techniken bringen sie damit immer mehr über die Plattentektonik und die Entwicklung der Erde ans Licht.

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