Physikalische Geologie

Die Theorie besagt, dass der Erdmantel aufgrund seiner Plastizität in der Lage ist, zu konvektieren, und diese Eigenschaft ermöglicht auch einen anderen sehr wichtigen Erdprozess, der als Isostasie bekannt ist. Die wörtliche Bedeutung des Wortes Isostase ist „gleichmäßiger Stillstand“, aber die Bedeutung dahinter ist das Prinzip, dass die Erdkruste auf dem Mantel schwimmt, wie ein Floß, das im Wasser treibt, anstatt auf dem Mantel zu ruhen, wie ein Floß, das auf dem Boden sitzt.

Die Beziehung zwischen der Kruste und dem Mantel ist in Abbildung 9.16 dargestellt. Rechts ist ein Beispiel für eine nicht-isostatische Beziehung zwischen einem Floß und festem Beton zu sehen. Man kann das Floß mit vielen Menschen beladen und es sinkt trotzdem nicht in den Beton ein. Links ist die Beziehung eine isostatische zwischen zwei verschiedenen Flößen und einem mit Erdnussbutter gefüllten Schwimmbecken. Mit nur einer Person an Bord schwimmt das Floß hoch in der Erdnussbutter, aber mit drei Personen sinkt es gefährlich tief. Wir verwenden hier Erdnussbutter statt Wasser, weil ihre Viskosität das Verhältnis zwischen Kruste und Erdmantel besser wiedergibt. Obwohl sie ungefähr die gleiche Dichte wie Wasser hat, ist Erdnussbutter viel zähflüssiger (steifer), und so wird das Drei-Personen-Floß zwar in der Erdnussbutter versinken, aber nur sehr langsam.

Die Beziehung der Erdkruste zum Erdmantel ist ähnlich wie die Beziehung der Flöße zur Erdnussbutter. Das Floß mit einer Person darauf schwimmt bequem hoch. Auch mit drei Personen darauf hat das Floß eine geringere Dichte als die Erdnussbutter, so dass es zwar schwimmt, aber für diese drei Personen unangenehm niedrig. Die Kruste mit einer durchschnittlichen Dichte von etwa 2,6 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3) ist weniger dicht als der Erdmantel (durchschnittliche Dichte von etwa 3,4 g/cm3 in Oberflächennähe, aber mehr als das in der Tiefe), und so schwimmt es auf dem „plastischen“ Erdmantel. Wenn der Kruste durch den Prozess der Gebirgsbildung mehr Gewicht hinzugefügt wird, sinkt sie langsam tiefer in den Mantel und das Mantelmaterial, das sich dort befand, wird zur Seite geschoben (Abbildung 9.17, links). Wenn dieses Gewicht durch Erosion über zig Millionen Jahre hinweg entfernt wird, erholt sich die Kruste und das Mantelgestein fließt zurück (Abbildung 9.17, rechts).

Kruste und Mantel reagieren in ähnlicher Weise auf die Vergletscherung. Dicke Ansammlungen von Gletschereis erhöhen das Gewicht der Kruste, und da der darunter liegende Mantel zur Seite gedrückt wird, sinkt die Kruste ab. Dieser Prozess ist für den aktuellen Eisschild auf Grönland in Abbildung 9.18 dargestellt. Der grönländische Eisschild ist an dieser Stelle über 2.500 m dick, und die Kruste unter dem dicksten Teil wurde so weit abgesenkt, dass sie über einen großen Bereich unter dem Meeresspiegel liegt. Wenn das Eis schließlich schmilzt, werden sich Kruste und Mantel langsam erholen, aber die vollständige Erholung wird wahrscheinlich mehr als 10.000 Jahre dauern.

Sie fragen sich vielleicht, wie es möglich ist, dass der Erdmantel steif genug ist, um bei einem Erdbeben zu zerbrechen, und dennoch konvektiert und fließt er wie eine sehr viskose Flüssigkeit. Die Erklärung ist, dass sich der Erdmantel wie eine nicht-newtonsche Flüssigkeit verhält, was bedeutet, dass er unterschiedlich auf Spannungen reagiert, je nachdem wie schnell die Spannung aufgebracht wird. Ein gutes Beispiel dafür ist das Verhalten des Materials, das als Silly Putty bekannt ist. Es kann springen und bricht, wenn man stark daran zieht, verformt sich aber flüssig, wenn die Spannung langsam aufgebracht wird. Auf diesem Foto wurde Silly Putty über ein Loch in einer Glastischplatte gelegt, und als Reaktion auf die Schwerkraft floss es langsam in das Loch. Der Mantel wird fließen, wenn er unter die langsame, aber stetige Spannung eines wachsenden (oder schmelzenden) Eisschildes gesetzt wird.

Große Teile Kanadas heben sich immer noch als Folge des Verlustes von Gletschereis in den letzten 12 ka, und wie in Abbildung 9.19 gezeigt, erleben auch andere Teile der Welt eine isostatische Hebung. Die höchste Hebungsrate ist in einem großen Gebiet westlich der Hudson Bay zu verzeichnen, wo das Laurentide Ice Sheet am dicksten war (über 3.000 m). Das Eis verließ diese Region schließlich vor etwa 8.000 Jahren, und die Kruste hebt sich derzeit mit einer Rate von fast 2 cm/Jahr. Ein starker isostatischer Rückprall findet auch in Nordeuropa statt, wo das Fenno-Skandische Eisschild am dicksten war, sowie im östlichen Teil der Antarktis, der ebenfalls einen erheblichen Eisverlust während des Holozäns erlebte.

Auch um die ehemaligen Laurentiden- und Fenno-Skandischen Eisschilde herum gibt es ausgedehnte Gebiete mit Absenkungen. Während der Vergletscherung floss Mantelgestein aus den Gebieten unter den Haupteisschilden ab, und dieses Material fließt nun langsam zurück, wie in Abbildung 9.18b dargestellt.