Eustasie

Definition und Grundprinzip

Eustasie bezeichnet Schwankungen des Meeresspiegels in globalem Maßstab. Moderne Geowissenschaften bestimmen den eustatischen Meeresspiegel relativ zu einem Fixpunkt, der nicht durch geologische Prozesse beeinflusst wird; als Bezugspunkt dient in der Regel der Erdmittelpunkt.

Der österreichische Geologe Eduard Suess führte 1888 die Bezeichnung „eustatische Bewegungen“ ein. Er beschrieb damit das Vorrücken und Zurückweichen von Küstenlinien über geologische Zeiträume. Ein Vorrücken des Meeres mit der Ausbreitung mariner Sedimente heißt Transgression, ein Rückzug wird als negative eustatische Bewegung bezeichnet. Suess erklärte diese Vorgänge vor allem durch das Einsinken und die spätere Auffüllung von Meeresbecken. Heute gelten andere Mechanismen als entscheidend.

Hauptursachen eustatischer Schwankungen

Eustatische Meeresspiegelschwankungen haben zwei wesentliche Ursachen:

• Das Volumen des Meerwassers verändert sich durch Änderungen des globalen Wasserhaushalts.

• Das Volumen der Ozeanbecken verändert sich, sodass sie mehr oder weniger Wasser aufnehmen können.

Die einzelnen Mechanismen wirken grundsätzlich nicht unabhängig voneinander. Sie überlagern sich und können sich gegenseitig verstärken oder abschwächen.

Veränderungen des Meerwasservolumens

Der bedeutendste Mechanismus ist die Glazialeustasie oder Glazio-Eustasie: Wasser wird in kontinentalen Eisschilden gebunden oder beim Abschmelzen wieder freigesetzt. Dadurch kann sich der Meeresspiegel innerhalb von 1000 bis 100.000 Jahren um 10 bis 100 Meter verändern.

Während der globalen Vergletscherungen des Pleistozäns waren große Wassermengen im Inlandeis der Nordhalbkugel gespeichert. Der Meeresspiegel lag deshalb zeitweise bis zu 130 Meter unter dem heutigen Niveau. Das heutige Nordseebecken lag während der jüngsten pleistozänen Vergletscherung, die in Nord- und nördlichem Mitteleuropa Weichsel-Kaltzeit heißt, trocken. Die anschließende Freisetzung des Schmelzwassers ließ dort den Meeresspiegel steigen. Dieses regionale Ereignis mit glazioeustatischem Hintergrund wird Flandrische Transgression genannt. Auch das Trockenfallen und die spätere Flutung der Beringstraße sind Folgen solcher Schwankungen.

Noch heute speichern die Eisschilde Grönlands und der Antarktis sehr große Wassermengen. Ihr vollständiges Abschmelzen würde den eustatischen Meeresspiegel um etwa 73 Meter erhöhen.

Thermosterische Schwankungen entstehen, weil sich Meerwasser bei Erwärmung ausdehnt und bei Abkühlung zusammenzieht. Eine Erwärmung des gesamten Wasserkörpers der Weltmeere um 1 °C würde den eustatischen Meeresspiegel um 70 Zentimeter anheben. Auch die Speicherung oder Freisetzung von Wasser in Grundwasserreservoirs und Oberflächengewässern der Kontinente kann Schwankungen von wenigen Metern über Zeiträume von 100 bis 10.000 beziehungsweise 100.000 Jahren verursachen. Der gegenwärtige Meeresspiegelanstieg wird in erster Linie auf glazioeustatische und thermosterische Effekte zurückgeführt.

Veränderungen der Ozeanbecken

Die wichtigste Ursache für Änderungen des Ozeanbeckenvolumens sind Schwankungen der Ozeanbodenspreizungsrate. Bei schneller Spreizung entsteht an den Mittelozeanischen Rücken in kürzerer Zeit mehr neue ozeanische Kruste beziehungsweise Lithosphäre. Junge Lithosphäre besitzt eine geringere Dichte als alte und liegt deshalb höher auf der Asthenosphäre. Das Volumen der Ozeanbecken nimmt ab, Meerwasser wird verdrängt und auf die Kontinente gedrückt. Bei langsamer Spreizung gibt es weniger junge Lithosphäre; die Becken bieten dem Meerwasser dann mehr Platz.

Dieser Zusammenhang zwischen Spreizungsrate, Beckenvolumen und Meeresspiegel heißt Tektono-Eustasie. Er wirkt über 100.000 bis 10 Millionen Jahre und kann den Meeresspiegel um einige 10 bis einige 100 Meter verändern.

Der Eintrag von Sedimenten in die Ozeane, den Suess noch als Hauptursache eines Meeresspiegelanstiegs ansah, verändert das Beckenvolumen nur wenig. Sein Einfluss beträgt höchstens wenige 10 Meter über einige 10 Millionen bis einige 100 Millionen Jahre.

Während der meisten Zeit innerhalb der vergangenen 500 Millionen Jahre gab es keine großen kontinentalen Eisschilde. Daher dürfte die Tektono-Eustasie der erdgeschichtlich dominierende Faktor bedeutender globaler Meeresspiegelschwankungen gewesen sein. In der frühen Oberkreide, in der Fachliteratur häufig „Mid-Cretaceous“ oder „Mittelkreide“ genannt, lag der eustatische Meeresspiegel vermutlich mindestens 100 Meter über dem heutigen Niveau. Das lässt sich nicht allein durch schmelzendes Eis erklären, weil im Treibhausklima des Mesozoikums wahrscheinlich keine großen Inlandeismassen vorhanden waren. Als Ursache wird stattdessen eine erhöhte Ozeanbodenspreizungsrate angenommen.

Schwerefeld und regionale Unterschiede

Die Geoidal-Eustasie betrifft nicht die globale Wassermenge, sondern ihre Verteilung in Abhängigkeit vom Schwerefeld der Erde. Bei einer positiven Schwereanomalie liegt der Meeresspiegel geringfügig höher, bei einer negativen geringfügig niedriger. Weil sich das Schwerefeld regional unterscheidet und über geologische Zeiträume verändert, können Meeresspiegel regional verschieden stark steigen oder sogar in unterschiedliche Richtungen schwanken. Deshalb verlaufen auch glazio- und tektono-eustatische Veränderungen nicht überall völlig einheitlich.

Beim schnellen Abschmelzen eines kontinentalen Eisschildes nimmt zwar die Wassermenge der Ozeane zu. In der vom Eis befreiten Region sinkt jedoch zunächst das Geoid, also die Fläche gleichen Schwerepotenzials, weil die ausgleichende Hebung der Erdkruste langsamer erfolgt als das Abschmelzen. Dieser regionale geoidal-eustatische Meeresspiegelabfall schwächt dort den glazioeustatischen Anstieg ab.

Eine zunehmende Wassermenge belastet außerdem die Ozeanböden und senkt sie isostatisch ab. Dieser Vorgang heißt Hydro-Isostasie. Gleichzeitig heben sich die Kontinente um den doppelten Betrag der Absenkung der Ozeanböden. Ozeanische Inseln machen die Absenkung mit, während sich Kontinentalschelfe heben können; dadurch entstehen Unterschiede in der Sedimentüberlieferung.

Relativer Meeresspiegel

Der relative Meeresspiegel beschreibt regionale oder lokale Veränderungen. Er wird nicht gegenüber einem geologisch stabilen Fixpunkt bestimmt, sondern gegenüber einer festgelegten Fläche in der Erdkruste, dem „local datum“, beispielsweise der Oberfläche des Basements eines Sedimentbeckens. In der Sequenzstratigraphie wird er auch als Akkommodationsraum bezeichnet. Gemeint ist der für Sedimentablagerungen verfügbare Raum.

Der relative Meeresspiegel wird sowohl durch Formen der Eustasie als auch durch regionale Tektonik beeinflusst, besonders durch Hebung oder Senkung des Ablagerungsraums. Echte eustatische Schwankungen lassen sich daher nur erkennen, wenn Sedimentabfolgen desselben geologischen Zeitabschnitts überregional verglichen werden.

Auch die Sedimentationsrate ist wichtig. Starke Sedimentation führt beim relativen Meeresspiegel nicht zu einem Anstieg, sondern zu einer Verringerung der Wassertiefe oder zum Rückzug der Küstenlinie. Untersuchungen „mittelkretazischer“ Sedimentabfolgen ergaben lokal relative Meeresspiegel bis zu 250 Meter über dem heutigen Wert. Neben dem global hohen Meeresspiegel könnte dabei eine verstärkte Subsidenz, also Absenkung, der Kontinente während der letzten Phase des Auseinanderbrechens von Pangaea mitgewirkt haben.

Die Schwankungen der Ostsee während der vergangenen 10.000 Jahre sind ebenfalls relative und nicht ausschließlich eustatische Veränderungen. Zu den Einflussfaktoren gehören die Sedimentzufuhr der Flüsse, Neotektonik und weitere Prozesse. Zusätzlich hebt sich Skandinavien nach dem Abschmelzen der Eismassen der letzten Kaltzeit durch postglaziale Hebung um einige Millimeter pro Jahr. Dadurch zieht sich das Meer an der nördlichen Ostseeküste zurück.