Erdkruste

Grundaufbau und Bedeutung

Die Erdkruste oder Erdrinde ist die äußerste feste Schale der Erde. Sie ist im Durchschnitt etwa 15 bis 20 Kilometer mächtig und damit die dünnste Schale im inneren Aufbau der Erde. Unter ihr liegt der Erdmantel. Weil die Erdkruste in der Regel eine geringere Dichte als der Erdmantel hat, liegt sie auf ihm auf.

Zusammen mit dem äußersten Bereich des oberen Erdmantels, dem lithosphärischen Mantel, bildet die Erdkruste die Lithosphäre. Die Kruste wird nach ihrer chemischen Zusammensetzung in zwei heute existierende Typen eingeteilt: ozeanische Kruste und kontinentale Kruste. Diese unterscheiden sich in Entstehung, Zusammensetzung, Dichte und Dicke. Nach den bisher gewonnenen Daten über andere Planeten und Monde scheint die Erde im Sonnensystem der einzige Himmelskörper mit zwei unterschiedlichen Krustenarten zu sein.

Zwei Krustentypen

Die ozeanische Erdkruste wird auch SiMa genannt, weil sie neben Sauerstoff und Silizium einen hohen Anteil Magnesium enthält. Die kontinentale Erdkruste wird auch SiAl genannt, weil sie neben Sauerstoff vor allem aus Silizium und Aluminium besteht.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil die beiden Krustentypen verschiedene Eigenschaften haben: Ozeanische Kruste ist dünner und dichter, kontinentale Kruste ist dicker und leichter. Dadurch liegen Kontinente höher auf dem Erdmantel als ozeanische Bereiche.

Ozeanische Kruste

Ozeanische Erdkruste entsteht am Ozeanboden an Grenzen von auseinanderdriftenden Lithosphärenplatten. Dort tritt aus dem Erdmantel ständig basisches Magma aus, erstarrt und bildet das weltumspannende System der mittelozeanischen Rücken. Dieses junge Krustengestein besteht hauptsächlich aus basaltähnlichem Gabbro.

Die ozeanische Kruste hat eine relativ hohe Dichte von etwa 3 g/cm³. Sie ist meist nur fünf bis sieben Kilometer dick; nur vereinzelt ist sie über zehn Kilometer mächtig.

Der Prozess, bei dem sich der Ozeanboden bildet und ausbreitet, heißt Ozeanbodenspreizung. Nach heutigem Wissen wird er durch Konvektionsströme im Erdmantel angetrieben. Dabei bewegen sich benachbarte Lithosphärenplatten typischerweise mit Geschwindigkeiten von einigen Millimetern bis Zentimetern pro Jahr voneinander weg. Diese Geschwindigkeit nennt man Spreizungsrate.

Kontinentale Kruste

Kontinentales Krustengestein ist leichter als ozeanisches Krustengestein und hat eine Dichte von etwa 2,7 g/cm³. Seine chemische Zusammensetzung ähnelt im Mittel Granit und dem metamorphen Zwillingsgestein Gneis. Granit wird hier als „sauer“ beschrieben, weil der Anteil an Kieselsäure SiO₂ über 66 Prozent liegt. Metamorph bedeutet, dass ein Gestein durch Druck, Temperatur oder andere geologische Prozesse umgewandelt wurde.

Die kontinentale Kruste ist das Endprodukt eines langen Prozesses, bei dem weniger dichte Mineralien im Laufe der Erdgeschichte zur Erdoberfläche aufstiegen. Dabei spielten Isostasie und Vulkanismus die Hauptrolle. Isostasie bezeichnet das Gleichgewicht, in dem leichtere und schwerere Teile der Erdkruste unterschiedlich tief in den Erdmantel einsinken. Auch Metamorphose sowie chemisch-physikalische Verwitterung trugen dazu bei. Verwitterung kann zur Ablagerung von Lockergesteinen führen, den Sedimenten.

Die kontinentale Erdkruste ist 30 bis 60 Kilometer dick. Unter Gebirgen, besonders unter langen Gebirgsketten, reicht sie deutlich weiter hinab. Der Durchschnitt liegt bei knapp 40 Kilometern. Lokale Extremwerte sind weniger als 25 Kilometer bei Küstenebenen, Schelfen und Grabenbrüchen sowie mehr als 70 Kilometer unter Himalaja und Anden.

Wegen ihrer geringeren Dichte schwimmen Kontinente höher auf dem Erdmantel als ozeanische Kruste. Gleichzeitig tauchen sie wegen ihrer größeren Mächtigkeit tiefer in den Mantel ein, ähnlich wie ein hoher Eisberg. Gesteine an der Kruste-Mantel-Grenze verhalten sich bei den dortigen Temperaturen und bei geologisch langsamen Bewegungen plastisch. Deshalb hat sich über viele Jahrmillionen weitgehend ein Gleichgewicht eingestellt.

Auch die feste Erdkruste unterliegt Gezeiten von etwa 50 Zentimetern Höhe. Das zeigt, dass auch der tiefere Erdkörper elastisch ist. Diese halbtägigen Verformungen können heute mithilfe der Love’schen Zahlen auf 1 Millimeter genau berechnet werden, wobei auch regionale Abweichungen erkennbar sind.

Chemische Zusammensetzung und Grenzflächen

Die Erdkruste enthält zusammen mit Ozeanen und Atmosphäre fast alle chemischen Elemente: 93 der aktuell (2018) 118 Elemente des Periodensystems wurden dort gefunden. Den größten Anteil hat Sauerstoff mit 46 Gewichtsprozent. Danach folgen Silicium mit 28 Prozent, Aluminium mit 8 Prozent, Eisen mit 6 Prozent, Magnesium mit 4 Prozent und Calcium mit 2,4 Prozent. Alle anderen Elemente zusammen machen 5,6 Prozent aus; die meisten kommen nur in Spuren vor.

Vermutlich setzt sich die simatische, ozeanische Krustenschicht oder petrographisch verwandtes Material teilweise unter der kontinentalen Sial-Kruste fort und bildet dort das untere Drittel. Aus der Analyse von Erdbebenwellen konnte Andrija Mohorovičić 1909 einen Geschwindigkeitssprung und damit indirekt einen Dichteanstieg zum Erdmantel hin nachweisen. Dieser Dichteanstieg beträgt 0,5 g/cm³ oder fast 20 Prozent. Die entsprechende Grenzfläche heißt Mohorovičić-Diskontinuität, kurz Moho.

Die Moho liegt unter den Kontinenten in wechselnder Tiefe: nach Ledersteger im Mittel 33 Kilometer tief, nach moderner Seismik 38 Kilometer. Um 1920 entdeckte Victor Conrad einen zweiten Dichtesprung in etwa 20 Kilometer Tiefe, die Conrad-Diskontinuität. Sie entspricht der nicht ganz durchgängigen Trennschicht zwischen Sial- und Sima-Krustengesteinen. Heute unterscheidet man üblicherweise zwischen Oberkruste und Unterkruste.

Entstehung und Erforschung

Einige wenige winzige Zirkonminerale zeigen, dass es bereits vor etwa 4,4 Milliarden Jahren eine Kruste gab. Die Zusammensetzung dieser frühesten Kruste ist jedoch umstritten. Es wird sowohl eine mafische als auch eine bereits felsische Kruste erwogen. Mafisch bezeichnet magnesium- und eisenreiche Gesteine, felsisch eher siliziumreiche Gesteine.

Beide Möglichkeiten setzen voraus, dass es bereits einen Erdmantel gab. Für eine Kruste, die schon vor dem Schalenaufbau der Erde existierte, gibt es keine Hinweise. Daraus wird geschlossen, dass es entweder keine feste Kruste gab oder dass eine frühere anorthositische, KREEP-ähnliche oder komatiitische, also ultramafische, Kruste innerhalb erdgeschichtlich kurzer Zeit wieder vollständig mit dem Erdmantel vermischt wurde. Auch die Größe des damals bereits verfestigten Krustenabschnitts ist stark umstritten.

Die Erdoberfläche wird seit alters her erforscht, kartiert und in ihren Landformen gedeutet. Die Geologie der darunterliegenden Krustenschichten wird dagegen erst seit dem 18. Jahrhundert untersucht. Dass die Temperatur mit zunehmender Tiefe ansteigt, ist durch Bergwerke seit Jahrtausenden bekannt; Vulkanismus macht dies ebenfalls sichtbar. Auch Erdbeben ermöglichten frühe Schlüsse über das Erdinnere, weshalb schon in der Antike glutflüssige tiefere Erdschichten vermutet wurden.

Die tiefste Bohrung zur Erforschung der Erdkruste ist die Kola-Bohrung von 1970 bis 1992 auf der russischen Halbinsel Kola. Sie erreichte 12.262 Meter. In Deutschland erreichte die Kontinentale Tiefbohrung, KTB, von 1987 bis 1995 eine Tiefe von 9101 Metern. Beide Bohrungen mussten wegen technischer Schwierigkeiten durch unerwartet stark zunehmende Temperaturen vor Erreichen der eigentlichen Zielteufe abgebrochen werden.

Unter den Ozeanen ist die Erdkruste nur einen Bruchteil so dick wie unter den Kontinenten, doch Bohrungen vom Schiff aus am Tiefseeboden sind technisch besonders aufwendig. Das japanische Forschungsschiff Chikyū, in Betrieb seit 2005, versucht erstmals, bis 7 Kilometer tief in den Meeresgrund zu bohren, um die ozeanische Erdkruste zu durchdringen. 2023 wurde das chinesische Forschungsschiff Mengxiang getauft, das durch die Erdkruste bis zum Erdmantel bohren soll.