Bahnbrechende Studie erschüttert etablierte Ansichten über die Gebirgsbildung

Entgegen der traditionellen Annahme einer Faltenbildung und Verdichtung der Erdkruste deutet eine neue Studie darauf hin, dass die Gebirgsbildung, insbesondere in Subduktionszonen wie Süditalien, durch das Absinken einer tektonischen Platte durch den Erdmantel und eine veränderte Mantelströmung erheblich beeinträchtigt werden könnte, was eine genauere Aussage liefert Verständnis des Bergbildungsprozesses.

Neue Forschungsergebnisse der Colorado State University geben Antworten auf die Frage, wie und warum Berge tiefer vergraben sind als bisher angenommen.

„Bergbildung ist ein grundlegender Prozess des Verhaltens der Erde, und diese Studie legt nahe, dass wir ihn möglicherweise nicht so gut verstehen, wie wir dachten“, sagte Sean Gallen, Hauptautor und Assistenzprofessor für Geowissenschaften an der California State University.

Galen und sein Team haben neue Datensätze und Methoden für die Nutzung von Landschaften erstellt, um umfangreiche Geschichten von Berggebäuden in Süditalien zu rekonstruieren. Ihr einzigartiger Ansatz führte zu Ergebnissen, die Gallen als „beunruhigend“ bezeichnete.

In Subduktionszonen wie der in Kalabrien in Süditalien sinkt eine tektonische Platte unter eine andere. Es wird angenommen, dass die Berge an diesen Orten durch Faltenbildung und Kondensation der Erdkruste entstanden sind.

Das Team sammelte Messungen, die geologisch kurze und lange Zeitskalen erfassten, von Tausenden von Jahren bis zu mehreren zehn Millionen Jahren. Wie der „geologische Rekorder“ der tektonischen Geschichte füllte die Landschaft den Rest aus.

Blick auf Kalabrien mit Blick auf das Tyrrhenische Meer mit einer Meeresterrasse im Vordergrund (ebene Fläche). Bildnachweis: Sean Gallen

„In Süditalien ist die Landschaft tatsächlich die Brücke zwischen diesen verschiedenen Stilen, die wir normalerweise verwenden“, sagte Gallen.

Die flachen, erhöhten Landschaftsteile entlang der „Zehe“ der italienischen Halbinsel stellen eine Zeit dar, in der die Gebirgsbildung langsam vor sich ging, und die scharfe Verschiebung nach unten deutet auf eine schnelle Beschleunigung hin. Diese Hinweise in der Landschaft ermöglichten es den Forschern, eine langfristige, kontinuierliche Aufzeichnung der Felshöhen zu erstellen, die längste und vollständigste Aufzeichnung ihrer Art.

„Wir erwarten einen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit, mit der eine Platte im Laufe der Zeit unter die andere Platte sinkt, und unserer Geschichte der Gesteinshebung, aber das sehen wir nicht“, sagte Galen.

Krustenfaltenbildung und Kondensation scheinen sekundär zu einem anderen Prozess bei der Entstehung der kalabrischen Berge zu sein. Die Daten deuten darauf hin, dass das Absinken der unteren Platte durch den Erdmantel und die Veränderung des Mantelströmungsfeldes der Hauptfaktor für die Gesteinshebung ist.

CSU-Doktoranden entnehmen Proben aus dem Grundgestein einer Thermohistochemie in Kalabrien, Italien. Von links: Nikki Seymour, zweite Autorin der Studie, Joanna Edman und Eyal Marder. Bildnachweis: Sean Gallen

„Die Ergebnisse legen nahe, dass die typische Art und Weise, wie wir den Bergbau betrachten, nicht auf Süditalien zutrifft“, sagte Gallen. „Es scheint von Dingen gesteuert zu werden, die viel tiefer im Erdsystem liegen. Dieses Verhalten wurde in Modellen beobachtet, aber nie in der Natur. Dies ist das erste Mal, dass wir glauben, es beobachtet zu haben.“

Galen warnte davor, dass weitere Daten erforderlich seien, um zu bestätigen, ob ihre Interpretation korrekt sei oder nicht, diese jedoch durch bestehende numerische Modelle gestützt werde. Bisher haben Wissenschaftler die Höhe von Bergen mit Wechselwirkungen zwischen tektonischen Platten innerhalb des plastisch fließenden Erdmantels in Verbindung gebracht, doch diese Forschung zeigt zum ersten Mal, dass dieser Mechanismus die dominierende Kraft bei der Gebirgsbildung in Subduktionszonen ist.

„Die von uns vorgelegten Aufzeichnungen deuten darauf hin, dass Signale aus der Tiefe der Erde offenbar das Geschehen an der Oberfläche dominieren“, sagte Galen. „Ich arbeite seit 15 Jahren im Mittelmeer und diese Entdeckung hat meine Einstellung zu diesen Subduktionszonen grundlegend verändert.“

Blick auf Kalabrien mit Blick auf das Tyrrhenische Meer mit einer Meeresterrasse im Vordergrund (ebene Fläche). Bildnachweis: Sean Gallen

Transformierende und transparente Forschung

Die für diese Studie entwickelten neuen Techniken bieten einen Durchbruch bei der Erstellung langfristiger Historien zum Steinheben.

Das Team erstellte einen einheitlichen Rahmen, der auf einer Reihe von Standardmessungen der Geomorphologie basiert – Thermochronologie, kosmische Nuklide, Fluss-Gesteinsprofile und eine Aufzeichnung früherer Meeresspiegel, die auf Meeresterrassen gefunden wurden. Der neue Ansatz geht weiter zurück als andere und nutzt unterschiedliche Datensätze, um die Modellierung auf einzigartige Weise einzuschränken.

Die Methode lässt sich am besten auf aktive Systeme anwenden, in denen aktuelle Landschaften Hinweise auf deren Geschichte liefern. Je aktiver ein System in der geologischen Zeit war, desto schwieriger ist es, seine Geschichte zuverlässig zu rekonstruieren.

Ein Programm für die Studie wurde entwickelt und veröffentlicht DOI: 10.1038/s41561-023-01185-4