An den Mittelozeanischen Rücken wird durch aufsteigendes Magma permanent neue ozeanische Kruste gebildet. Bewegt man sich von dort weg in Richtung äusserster Rand des Ozeanbodens, wird die Kruste immer älter. Ist sie maximal rund 200 Millionen Jahre alt, hat sich die Kruste in der Regel derart abgekühlt, dass sie schwer genug ist, um allmählich in den Erdmantel abzusinken. Dabei schiebt sie sich dann unter eine angrenzende jüngere Krustenplatte. Es entwickelt sich eine Subduktionszone.

Entgegen den Konvektionsströmen

In den gängigen Modellen werden die Krusten- oder Lithosphärenplatten, die aus der Kruste und oberen Teilen des Erdmantels bestehen, von Konvektionsströmen im Erdmantel angetrieben. An der Stelle, an der zwei Lithosphärenplatten aufeinander treffen, treffen auch zwei Konvektionsströme aufeinander. Taras Gerya, Oberassistent am Instituit für Geophysik und James Connoly, Professor am Institut für Mineralogie und Petrographie vom Departement für Erdwissenschaften der ETH Zürich, und David Yuen, Professor an der University of Minnesota, gingen nun der Frage nach, warum an solchen Plattengrenzen nicht beide Plattenränder nach unten abtauchen, sondern nur eine der beiden Lithosphärenplatten, die dann von der anderen überfahren wird. Dieses Bild geben zumindest seismische Tomographien und die gemessenen Geschwindigkeiten der Platten, an den verschiedenen Subduktionszonen der Erde, wieder.

Anhand numerischer Modelle simulierten die Forscher die Prozesse, die an einer Subduktionszone ablaufen. Dazu führten sie mit zwei hypothetischen ozeanischen Krustenplatten unterschiedlichen Alters 71 Experimente mit einem Computer durch. Bei den Computer-Simulationen veränderten sie systematisch die Parameter wie fehlendes oder vorhandenes Wasser, die Rate, mit der sich das Wasser unter gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen aus den Mineralien und Porenräumen bewegt, das Alter der Platten, die plastische Festigkeit der Krusten- und Mantelgesteine und die Ausdehnung der wasserhaltigen Schwächezone, an der die Subduktion einsetzt.

Wasser als Gleitmittel

Wird eine alte ozeanische Lithosphärenplatte unter eine jüngere geschoben und subduziert, werden in der Tiefe das wasserhaltige Mantelgestein und die subduzierte Kruste teilweise aufgeschmolzen. Das geschmolzene Material steigt zur Oberfläche hin auf und sammelt sich unter der überfahrenden Platte. Es verdickt sie und führt zu Vulkanismus an der Oberfläche. Es entsteht ein sogenannter Inselbogen. Ein typisches Beispiel hierfür ist Japan.

Gleichzeitig wird die überfahrende Platte jedoch gedehnt. An der Dehnungsstelle entsteht allmählich ein neuer Mittelozeanischer Rücken, an dem neue Kruste gebildet wird. Die Forscher konnten nun zeigen, dass sich diese Prozesse und eine anhaltende einseitige Subduktion nur dann entwickelt, wenn die Plattenfestigkeit sehr hoch ist. Entscheidend ist zudem eine dauerhafte wasserhaltige Schwächezone in der Oberfläche des abtauchenden Krustenstücks, über die das Wasser aus den Gesteinen und Mineralien freisetzt werden kann. „Das Wasser ist eine Art Gleitmittel und entkoppelt die überfahrende und abtauchende Platte voneinander“ betont Taras Gerya. Wasser ermögliche die asymmetrische einseitige Subduktion wie sie auf der Erde beobachtet werden könne. Deshalb könne es eine derartige Subduktion nur auf Planeten geben, auf denen es auch Wasser gebe. Überall sonst müssten plattentektonische Prozesse symmetrisch ablaufen, sagt Gerya.

Literaturhinweis

Gerya, T., Connolly, J.&Yuen,D.: Why is terrestrial subduction one-sided?, Geology 36/2008. DOI: 10.1130/G24060A.