Diskontinuität (Geologie)

Grundidee

Eine geologische bzw. geophysikalische Diskontinuität ist eine messtechnisch feststellbare Trennfläche in Gesteinskörpern nahe der Erdoberfläche oder in tieferen Bereichen der Erdkruste und des Erdmantels. Sie bedeutet eine Unterbrechung im sonst gleichmäßigen Aufbau eines Gesteins oder Festkörpers. In tieferen Erdschichten können solche Diskontinuitäten auch in plastischen Fluiden auftreten.

Wichtig sind Diskontinuitäten, weil sie anzeigen, dass sich Material, Struktur oder physikalische Eigenschaften im Erdinneren oder in einem Gesteinskörper deutlich ändern. Dadurch helfen sie, den Aufbau der Erde, von Gebirgen und von Gesteinsschichten zu beschreiben.

Nachweis im Erdinneren

In der Geophysik bezeichnet man Diskontinuitäten als Unstetigkeitszonen im großräumigen Schalenbau des Erdinneren. Sie entstehen durch starke Änderungen physikalischer Eigenschaften, zum Beispiel durch veränderte chemische Zusammensetzung, andere mineralogische Struktur oder einen Wechsel des Aggregatzustands.

Die Seismologie und die angewandte Seismik erkennen solche Trennflächen daran, dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Wellen ändert. Seismische Wellen sind Erschütterungswellen, die sich durch die Erde ausbreiten. Ein Geschwindigkeitswechsel zeigt Änderungen des Elastizitätsmoduls oder der Gesteinsdichte an.

Einige Diskontinuitäten lassen sich auch mit Gravimetrie feststellen, also durch Messungen des Schwerefeldes. Das gelingt besonders genau, wenn Dichte-Trennflächen stark geneigt sind. G. Papp untersuchte 2003 mit Gravimetrie und Lotabweichungen die Pannonische Tiefebene und bestimmte den genauen Tiefenverlauf der Mohorovičić-Diskontinuität.

Globale und regionale Formen

Globale Diskontinuitäten sind für den Aufbau des gesamten Erdkörpers charakteristisch. Lokale oder regionale Diskontinuitäten beschreiben dagegen kleinräumige, begrenzte Änderungen im strukturellen Aufbau der Erde.

Viele Diskontinuitäten sind streng genommen keine vollkommen scharfen Flächen, sondern Übergangsbereiche, weil die zugrunde liegenden Änderungen oft über ein größeres Tiefenintervall stattfinden. Grenzschichten mit abruptem Wechsel der seismischen Geschwindigkeit werden als Diskontinuitäten nullter Ordnung bezeichnet.

Wichtige Tiefengrenzen

Bekannte Diskontinuitäten werden im Artikel von oben nach unten genannt: die Conrad-Diskontinuität als Grenze zwischen Oberkruste und Unterkruste, die Mohorovičić-Diskontinuität oder Moho-Fläche als Grenze zwischen Kruste und Mantel, die Gutenberg-Diskontinuität als Grenze zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre, die Lehmann-Diskontinuität oder 210-km-Diskontinuität und die Wiechert-Gutenberg-Diskontinuität als markante Grenzfläche zwischen Mantel und Kern.

Weitere Diskontinuitäten entstehen durch Phasentransformationen von Mantelmineralien, also durch strukturelle Umwandlungen von Mineralen unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen. Sie werden nach ihrer durchschnittlichen Tiefe benannt. Besonders bedeutend sind die Phasenübergänge des Olivins. Sie markieren die Mantelübergangszone zwischen oberem und unterem Erdmantel und liegen in 410, 520 und 660 km Tiefe.

Weitere, zum Teil nur regional beobachtete und vielfach auch umstrittene Diskontinuitäten sind die Hales-Diskontinuität in den zentralen USA, die X-Diskontinuität mit eventuell unbekannter Phasentransformation, die 720-km-Diskontinuität als mögliche Phasentransformation des Granats, die Repetti-Diskontinuität mit unklarer Ursache, die 1200-km-Diskontinuität als mögliche Phasentransformation des Quarzes und die 1700-km-Diskontinuität als mögliche Phasentransformation des Wüstits.

Geologische Trennflächen

In der Geologie sind vor allem Grenzflächen zwischen unterschiedlichem Material wichtig. Solche Flächen können kompakte Gesteinskörper oder die Struktur eines Gebirges durchziehen.

Dazu gehören tektonische Trennflächen größerer Ausdehnung, etwa manche geologische Störungen. Eine Störung ist eine Bruch- oder Verschiebungszone im Gestein; sie kann sich bisweilen über hunderte Kilometer erstrecken und verschiedene Gesteinsarten voneinander trennen. Auch Teile von Riftzonen können Diskontinuitäten bilden. In solchen Dehnungszonen kann Senkung verschiedene Gesteine in Kontakt bringen, wie beim Oberrheingraben.

Auch örtliche Erscheinungen wie Staffelbrüche in geologischen Bruchzonen oder Sedimentbecken können Diskontinuitäten sein, werden aber nicht immer so genannt. Kleinräumige Beispiele sind Spalten in oberflächennahen Gesteinen, die mit Fremdgesteinen gefüllt sind, sowie sichtbare oder messbare Grenzen innerhalb einer Schichtung oder Schieferung.