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Bewegungen im Erdmantel können große Lücken im geologischen Archiv erklären
An vielen Orten der Erde klaffen in den Gesteinsschichten Lücken von Hunderten Millionen Jahren. Sechs Simulationen deuten nun darauf hin, dass Strömungen tief im Erdmantel ganze Kontinente langsam anhoben und anschließend wieder absinken ließen. Das könnte erklären, wie die „Great Unconformity“ entstand und weshalb ihre Spuren vor allem in Nordamerika gut erhalten sind.
Wollongong (Australien). Im Grand Canyon liegen stellenweise rund 500 Millionen Jahre alte Gesteinsschichten direkt auf einem etwa 1,7 Milliarden Jahre alten Untergrund. An diesem Kontakt fehlen also etwa 1,2 Milliarden Jahre geologischer Geschichte.
Solche Schichtlücken entstehen, wenn zwischen zwei Ablagerungsphasen Gestein abgetragen oder über lange Zeit gar nichts abgelagert wird. Vergleichbare, als „Great Unconformity“ bezeichnete Grenzflächen finden sich auch in Baltica, dem alten Kontinentalkern Nordeuropas, und in Nordchina. Ob vor allem frühe Eiszeiten, tektonische Prozesse oder Veränderungen des Meeresspiegels dafür verantwortlich waren, blieb umstritten.
Forscher der University of Wollongong (UOW) um Prof. Nicolas Flament haben untersucht, ob Strömungen im Erdmantel die großräumigen Hebungen und Senkungen erklären können. In sechs dreidimensionalen Modellen rekonstruierten sie die Mantelkonvektion und die Bewegung tektonischer Platten während der vergangenen Milliarde Jahre.
Dabei berechneten sie eine sogenannte dynamische Topografie. Aufsteigendes und absinkendes Mantelmaterial kann die darüber liegende Erdoberfläche über Tausende Kilometer anheben oder absenken. Die zeitlichen Veränderungen verglichen sie mit Daten über das auf den Kontinenten erhaltene Sedimentvolumen.
Die Modelle sagen für die alten Kontinentalblöcke Laurentia, Baltica und Nordchina im späten Präkambrium ausgedehnte Hebungsphasen voraus. Während der extremen Vereisungen der „Schneeball Erde“ vor rund 720 bis 635 Millionen Jahren hätten Gletscher auf diesen angehobenen Landflächen besonders viel Gestein abtragen können.
Im frühen Erdaltertum änderte sich in den Simulationen die Entwicklung dieser Regionen. Die Kontinentalblöcke sanken langfristig ab und wurden zunehmend von jüngeren Sedimenten überdeckt, wodurch die ältere Erosionsfläche erhalten bleiben konnte.
Der Vergleich mit erhaltenen Sedimenten aus Nordamerika und Eurasien stützt dieses Bild. Auf eine Phase mit günstigen Bedingungen für Abtragung folgte dort eine Zeit verstärkter Sedimenterhaltung. Ein einziger langer Zyklus aus Hebung und anschließender Absenkung wäre demnach besonders günstig für die Entstehung und Bewahrung der Schichtlücke.
Für Laurentia, den geologischen Vorläufer großer Teile Nordamerikas, ergab sich diese Abfolge in fünf der sechs Modellvarianten. Weil dieser Kontinentalblock besonders ausgedehnt war und an seinen Rändern vergleichsweise wenig umgeformt wurde, konnten große Teile der erodierten Oberfläche überdauern.
In Südamerika und Australien wurden hingegen weitere Hebungs- und Senkungsphasen berechnet. Solche späteren Hebungen hätten ältere Schichtlücken erneut abtragen und an anderer Stelle neue entstehen lassen können. Auch für Baltica und Nordchina variierten Dauer und Ausmaß der berechneten Hebung zwischen den Modellen.