Gigantische Jo-Jos unter den Westalpen

Riesige Energien sind im Spiel, wenn sich auf dem zähflüssigen Erdmantel eine tektonische Platte unter eine andere schiebt und zum Beispiel ein Gebirge auftürmt. Was in einer solchen Subduktionszone im Erdinnern unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen passiert, kann nicht direkt beobachtet werden.

Um den Prozess dennoch zu verstehen, kombinieren Forschende feldgeologische und geophysikalische Untersuchungen mit Modellrechnungen. «Bei einer Subduktion entsteht eine Art Knautschzone, in der gewisse Krustenfragmente nach oben gequetscht werden», erklärt Martin Engi, Geologe an der Universität Bern. Durch Stapelung solcher Krustenteile entstehen Gebirgskerne wie etwa in den Zentralalpen oder im Himalaya.

Engi gelang es mit einem internationalen Geologenteam nun erstmals, diese Bewegung anhand von Gesteinsproben zeitlich und räumlich detailliert zu rekonstruieren: Wie Jo-Jos werden riesige Gesteinsbrocken an Plattenrändern mehrmals nach oben und unten bewegt, schreiben die Forscher im Fachjournal «Nature Geoscience».

Weit verbreitet oder ein Ausnahmephänomen?
Mit geübtem Auge wählten die Geologinnen und Geologen in der Region zwischen Turin und dem Monte-Rosa-Massiv Gesteinsproben aus, die sie im Labor mit einer «SHRIMP»-Sonde datierten (siehe unten). Anhand der Zusammensetzung von Kristallen können die Forscher zudem die Druck- und Temperaturbedingungen rekonstruieren, unter denen diese gebildet wurden. Dies gibt Aufschluss über die Tiefe, in der ein Gestein entstanden ist, da der Druck mit der Tiefe zunimmt. «Die Quintessenz unserer Messungen ist, dass einige Gesteinsfragmente in den Westalpen zunächst in eine Tiefe von 65 Kilometern versenkt, dann innerhalb von rund 18 Millionen Jahren um 25 Kilometer hinaufgepresst und dann wieder um 20 Kilometer versenkt worden sind, bevor sie schliesslich zur Erdoberfläche transportiert wurden», hält Engi fest. Damit hat die Jo-Jo-Subduktion über einen relativ kurzen Zeitraum stattgefunden. Zum Vergleich: Ein Gebirgsgürtel bildet sich normalerweise in 50 bis 100 Millionen Jahren. Eine solche Jo-Jo-Tektonik ist bereits von einzelnen Theoretikern vorgeschlagen, bisher aber nie durch Messungen bestätigt worden.

Das Forscherteam konnte auch die Dimension der verschobenen Gesteinspakete bestimmen. «Die Brocken weisen eine Grösse von bis zu 10 mal 30 mal 50 Kilometern auf», sagt Engi. Laut dem Geologen stellt sich nun die Frage, ob die Mobilität solcher Krustenfragmente in Subduktionszonen weit verbreitet ist und bisher einfach nicht erkannt wurde, oder ob spezielle Bedingungen in den Westalpen ein Ausnahmephänomen produziert haben. Dies wird nun in weiteren Untersuchungen geklärt.

Die «Sensitive High-Resolution Ion Microprobe»-Sonde (SHRIMP)
Die Ionenmikrosonde wurde entwickelt, um stabile Altersbestimmungen von Gesteinsproben vorzunehmen. Dafür wird eine Probe im Hochvakuum mit einem Ionenstrahl beschossen. Aus einem Mini-Krater mit einem Durchmesser von 25 Tausendstel eines Millimeters verdampft so eine winzige Menge Probenmaterial zu Plasma, welches durch ein elektrisches Spannungsfeld beschleunigt und durch ein magnetisches Linsensystem gelenkt wird. Dieser Parcours ist so angelegt, dass unterschiedlich schwere Element-Formen – die Isotope – verschieden stark abgelenkt werden und separat gezählt werden können. Gewisse Isotope zerfallen über die Jahrmillionen mit unterschiedlichen Raten, womit sich aus diesen Messungen das Alter des Gesteins errechnen lässt.
Quellenangabe
Daniela Rubatto, Daniele Regis, Jörg Hermann, Katherine Boston, Martin Engi, Marco Beltrando und Sarlae R. B. McAlpine: Yo-yo subduction recorded by accessory minerals in the Italian Western Alps. Nature Geoscience, Advance Online Publication (AOP) vom 10. April 2011, doi: 10.1038/ngeo1124