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Gebirgsbildung
Gebirgsbildungsarten · Kollision von Kontinentalblöcken · Subduktion von ozeanischen Platten · Sonderfall: Obduktion von ozeanischen Platten.
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Grundprinzip der Gebirgsbildung
Gebirgsbildung oder Orogenese bezeichnet die Entstehung von Gebirgen als deformierte Gesteinsmassen innerhalb geologischer Zeiträume. Ursache sind vor allem tektonische Vorgänge, die durch die Kollision von Lithosphärenplatten ausgelöst werden. Sonderfälle bilden Bruchschollengebirge und Bruchfaltengebirge, die nur indirekt durch die Verschiebung von Kontinentalplatten entstehen.
Nach der Theorie der Plattentektonik besteht die Erdoberfläche aus größeren und kleineren Lithosphärenplatten. Sie bewegen sich mit einigen Zentimetern pro Jahr gegeneinander. Bewegen sich Platten aufeinander zu, spricht man von Konvergenz. Kontinentalblöcke sind besonders mächtige und wegen ihres starken Auftriebs relativ hoch liegende Krustenbereiche. Treffen zwei Kontinentalblöcke direkt aufeinander, werden ihre Ränder stark gestaucht und entlang der Kollisionszone zu einer Gebirgskette aufgefaltet. Solche Gebirge heißen Kollisionsgebirge.
Der Himalaya entstand durch das Auftreffen des Kontinentalblocks der Indischen auf den der Eurasischen Platte. Die Alpen bildeten sich etwa im Zeitraum vor ca. 50–30 Millionen Jahren, im Eozän, durch die Kollision des Kontinentalblocks der Afrikanischen Platte mit dem der Eurasischen Platte.
Subduktion und Obduktion
Trifft eine Kontinentalplatte auf eine ozeanische Platte, taucht die dichtere ozeanische Platte in den Erdmantel ab. Dieser Vorgang heißt Subduktion. In Subduktionszonen treten häufig Erdbeben auf.
Die ozeanische Platte kann Inselbögen oder ganze Terrane enthalten. Werden diese an den Rand der Oberplatte angeschweißt, spricht man von Akkretion; dadurch können Gebirge entstehen. Außerdem führt die Entwässerung der absinkenden ozeanischen Platte zur Bildung von Magma im Erdmantel. Das Magma steigt in der Kruste des Oberplattenrandes auf. Deshalb liegen über Subduktionszonen meist explosive Schichtvulkane. Die Anden entstanden durch das Aufeinandertreffen der Nazca-Platte mit der Südamerikanischen Platte. Weitere Beispiele sind das nordamerikanische Kaskadengebirge und die Japanischen Inseln.
Bei der Obduktion wird ozeanische Kruste nicht vollständig subduziert. Teile werden von ihrem Unterlager abgeschürft und auf die obere Platte aufgeschoben. Die meist linsenförmigen, kleinräumigen Gesteinskörper heißen Ophiolithe. Sie unterscheiden sich deutlich von den umgebenden Gesteinen. Selten werden größere Teile der Ozeankruste obduziert, etwa im Ophiolithkomplex von Oman.
Hebung, Abtragung und Isostasie
Nach heutigem Verständnis ist Gebirgsbildung mit wenigen Ausnahmen auf plattentektonische Vorgänge zurückzuführen. Die Form und Entwicklung eines Orogens werden jedoch auch durch die Gesteinsart, das innere Gefüge, den Wassergehalt der Sedimente, das Klima und die Erosion beeinflusst. Diese Faktoren bestimmen unter anderem, wie hoch ein Gebirge bei einer bestimmten Hebungsrate wird und wie lange Aufbau oder Einebnung dauern.
Sobald ein Gebirge seine Umgebung überragt, setzt Abtragung ein. Physikalische Prozesse wie Sonneneinstrahlung sowie Auftauen und Wiedergefrieren, chemische Verwitterung und mechanische Kräfte durch Gletscher und fließendes Wasser wirken zusammen. Flächenhafte Denudation bezeichnet beispielsweise die Abtragung durch Frost; linienhafte Erosion erfolgt vor allem durch Flüsse oder Gletscher. Ob ein Gebirge weiter an Höhe gewinnt oder schneller abgetragen wird, hängt vom Verhältnis zwischen Hebungs- und Abtragungsrate ab. Höhere Gebirge besitzen wegen ihrer größeren Reliefenergie grundsätzlich höhere Abtragungsraten als Mittelgebirge und Flachland. Simulationen zeigen, dass Abtragung den Ablauf der Gebirgsbildung unter Umständen steuern kann.
Gebirge befinden sich mit dem darunterliegenden zähplastischen Erdmantel in einem Schwimmgleichgewicht, der Isostasie. Der Gebirgsblock taucht so tief in den Mantel ein, dass die Masse des verdrängten Mantelgesteins seiner eigenen Masse entspricht. Ein Gebirgsmassiv ragt etwa um das Fünf- bis Sechsfache seiner Höhe über dem Meeresspiegel in den Erdmantel hinein. Wird an der Oberfläche Gestein abgetragen, hebt sich die Gebirgskette so weit, bis ungefähr 80 % der entfernten Gesteinsmasse ersetzt sind. Dadurch können Bergregionen noch viele Millionen Jahre ihr Höhenniveau halten, selbst wenn die tektonische Aufwärtsbewegung bereits aufgehört hat.
Modelle der Landschaftsentwicklung
Walther Penck, William M. Davis und John Hack entwickelten drei heute als ergänzend betrachtete Modelle. Sie unterscheiden sich vor allem in der Stärke und Dauer der Hebung. Auf Zeitskalen von Jahrmillionen werden klimatische Parameter als unerheblich betrachtet; entscheidend sind Zeit und Hebungsrate.
- Davis’ Zyklentheorie nimmt eine kurz andauernde, starke Hebungsphase an, auf die eine relativ schnelle Einebnung folgt.
- Pencks Theorie beschreibt eine langsam zunehmende, lang anhaltende und anschließend wieder abnehmende Hebungsintensität. Die Einebnung beginnt erst langsam und bleibt deutlich schwächer ausgeprägt.
- Hacks Theorie geht von einer nahezu stabilen Hebungsrate bei gleichzeitiger Abtragung aus. Eine Einebnung findet nicht statt; die Täler schneiden sich durch Erosion immer weiter ein.
Gebirgsbildungsphasen und wichtige Orogenesen
Hans Stille teilte den geologischen Werdegang Europas in vier wesentliche Gebirgsbildungsphasen ein: die fennosarmatische, die kaledonische, die variskische und die alpidische Phase.
Fast alle jungen Faltengebirge der Erde entstanden in den letzten 20 bis 40 Millionen Jahren während der alpinen Gebirgsbildung. Dazu zählen Hoher Atlas, Pyrenäen, Alpen, Karpaten, Dinariden, Gebirge der Türkei, Zagros-Gebirge in Persien, Himalaya sowie westliche Gebirge von Burma, Thailand und Indonesien.
In der heutigen Alpenregion wurden Ausgangsgesteine in mehreren Meeresräumen abgelagert. Die Meeressedimente waren bis zu einigen Kilometern mächtig. In einem komplizierten Prozess, dessen Hauptphase vor etwa 70 Millionen Jahren begann, wurden sie aufgefaltet. Nach der stärksten Hebungsphase vor etwa 25 Millionen Jahren schnitt die Erosion lange und kurze Täler in das gehobene Gebiet. Die Alpen heben sich bis heute mit 1–3 mm pro Jahr; ungefähr gleich starke Erosion gleicht diese Hebung aus.
Wichtige Orogenesen lassen sich ungefähr so einordnen: Die alpidische Orogenese begann etwa vor 100 Millionen Jahren, erreichte vor etwa 50 Millionen Jahren ihren Höhepunkt beziehungsweise ihr Ende und wächst gegenwärtig weiter. Die variskische beziehungsweise alleghenische Orogenese liegt ungefähr zwischen 400 und 300 Millionen Jahren zurück und befindet sich heute in der Erosion. Die kaledonische Orogenese begann etwa vor 510 und endete vor etwa 410 Millionen Jahren; auch sie wird heute erodiert. Die cadomische Orogenese wird mit etwa 650–545 Millionen Jahren angegeben. Die pan-afrikanische Orogenese reicht ungefähr von 1.000 bis 530 Millionen Jahren zurück. Ältere Beispiele sind Grenville beziehungsweise svekonorwegisch (1.200–1.100 Millionen Jahre), dano-polonisch (1.500–1.400 Millionen Jahre), Wopmay beziehungsweise svekofennisch (2.000–1.700 Millionen Jahre), loopisch (2.700–2.300 Millionen Jahre) und archaische Orogene ab etwa 4.000 Millionen Jahren.
Diese Zeitangaben bieten nur einen groben Überblick. In der Fachliteratur können Beginn und Ende einer Orogenese abweichen, weil je nach Region und Autor unterschiedliche Konzepte und Definitionen verwendet werden.
Forschungsgeschichte und heutiges Verständnis
Früher wurde eine Orogenese als zeitlich begrenzter Vorgang verstanden. Dabei betrachtete man vor allem Prozesse, die das Gefüge der betroffenen Gesteine bestimmen. Die Untersuchung aktiver Orogene, etwa der Gebirge an der pazifischen Küste Amerikas, zeigt jedoch, dass Gebirgsbildung oft über lange Zeiträume andauert.
Ältere Vorstellungen gingen davon aus, dass einer Orogenese eine Geosynklinale vorausgeht. Darunter verstand man eine große Einsenkung, in der sich mächtige Schichten von Tiefsee- und anderen Sedimenten ablagerten. Durch großtektonische Vorgänge wurde die Senkung später zu einem Hebungsgebiet. Die Gesteine wurden umgewandelt und teilweise über hunderte Kilometer verschoben; heute finden sie sich in Gebirgen.
Nach heutiger Auffassung entspricht die frühere Geosynklinale dem Ozean oder Randmeer zwischen den beteiligten Kontinentalplatten, das im Rahmen plattentektonischer Vorgänge geschlossen wird.
