Dating ductile deformation of the Earth’s crust: the critical role of fluids

Die Erdkruste ist keine statische Schale; sie ist eine dynamische Schicht, die sich unter immensem Druck ständig verschiebt, faltet und dehnt. Wenn Gesteine tief unter der Erde zusammengedrückt und erhitzt werden, brechen sie nicht immer wie sprödes Glas. Stattdessen können sie über Millionen von Jahren langsam fließen, ein Prozess, der als duktile Deformation bekannt ist. Diese langsame, plastische Bewegung ist entscheidend für das Verständnis darüber, wie Gebirgsketten entstehen und wie der Planet Spannungen abbaut. Um genaue Modelle dieser Ereignisse zu erstellen, müssen Geologen genau wissen, wann sich die Gesteine bewegten. Die Bestimmung des Alters dieses langsamen Fließens war jedoch lange Zeit ein Rätsel. Traditionelle Methoden gehen oft davon aus, dass die internen chemischen Uhren der Gesteine automatisch zurückgesetzt werden, während sie deformiert werden, was einen klaren Zeitstempel für das Ereignis liefert. Diese Annahme beruht jedoch auf der Vorstellung, dass die Gesteine perfekt durchmischt und chemisch homogen sind – eine Idee, die sich ohne einen extrem genauen Blick in die mikroskopische Welt im Inneren des Gesteins schwer verifizieren lässt.

Ein Forschungsteam von Universitäten aus der Schweiz und Deutschland hat diese lang gehegte Annahme nun infrage gestellt, indem es eine spezifische Schicht der Erdkruste in den Schweizer Alpen untersuchte. Sie konzentrierten sich auf eine Zone, in der altes Granitgestein zu einem feinkörnigen, fließenden Gestein namens Mylonit gepresst worden war. Durch die Kombination von hochauflösenden chemischen Karten mit präzisen Datierungstechniken entdeckten sie, dass das bloße Zusammendrücken von Gestein nicht ausreicht, um dessen interne Uhr zurückzusetzen. Stattdessen fanden sie heraus, dass die Anwesenheit wasserreicher Fluide die entscheidende Zutat ist, die es den chemischen Systemen des Gesteins ermöglicht, die Deformation zu registrieren und die Zeit der Verformung aufzuzeichnen. Diese Erkenntnis verändert die Art und Weise, wie Wissenschaftler die Geschichte der Gebirgsbildung interpretieren, da sie darauf hindeutet, dass das Gestein ohne Fluide Erinnerungen an seine Vergangenheit bewahrt, selbst während es zerquetscht und umgeformt wird.

Die Forscher untersuchten einen Abschnitt der Gotthard-Decke, einer massiven Gesteinsplatte in den Schweizer Alpen, die während der Kollision der europäischen und adriatischen Tekttonikplatten emporgedrückt wurde. Sie sammelten Proben von Granit, der in unterschiedlichem Maße deformiert worden war – von Gesteinen, die nur leicht gestreckt wurden, bis hin zu Gesteinen, die zu einem feinen, ultra-glatten Mylonit zermahlen worden waren. Unter Verwendung fortschrittlicher Mikroskope und chemischer Analysatoren erstellten sie detaillierte Karten der Mineralien innerhalb dieser Gesteine, insbesondere von weißem Glimmer, Biotit und Feldspat. Diese Mineralien fungieren als natürliche Uhren, da sie radioaktive Elemente enthalten, die mit einer bekannten Rate zerfallen, was es Wissenschaftlern ermöglicht, zu berechnen, vor wie langer Zeit die Mineralien entstanden sind oder zuletzt chemisch zurückgesetzt wurden. Das Team verwendete zwei verschiedene Datierungsmethoden: eine, die auf dem in den Mineralien eingeschlossenen Argon-Gas basiert, und eine andere, die auf dem Verhältnis von Strontium-Isotopen, um das Alter verschiedener Teile derselben Gesteinsprobe zu messen.

Was sie fanden, war überraschend. In den Gesteinen, die nur moderat deformiert waren, zeigten die chemischen Uhren eine breite Spanne an Altern, einige sehr alt und andere jünger. Als sie sich den am intensivsten deformierten Teilen der Scherzone näherten, in denen das Gestein zu einer feinen Paste zermahlen worden war, erwarteten sie, ein einziges, einheitliches Alter zu finden, das die Zeit der Zerquetschung repräsentiert. Stattdessen stellten sie fest, dass die am stärksten deformierten Gesteine immer noch signifikante Mengen an altem, nicht zurückgesetztem Material enthielten. Die Häufigkeit dieser antiken isotopischen „Relikte“ nahm mit der Intensität der Deformation tatsächlich zu. Dies widersprach direkt der Hypothese, dass Deformation und chemische Reaktionen in perfektem Gleichschritt ablaufen. Wäre das Gestein lediglich durch die physikalische Spannung der Gebirgsbildung durchmischt worden, hätten die alten chemischen Signaturen gelöscht werden müssen. Dass sie dennoch bestehen blieben, deutet darauf an, dass die physikalische Spannung allein nicht ausreicht, um die interne Uhr des Gesteins zurückzusetzen.

Der Schlüssel zur Entschlüsselung des wahren Zeitpunkts der Deformation lag in den Fluiden. Die Forscher identifizierten drei verschiedene Generationen von Mineralien. Die ältesten Mineralien, die vor Beginn der Gebirgsbildung entstanden, blieben in den Kernen einiger Kristalle erhalten. Eine zweite Generation bildete sich während des Höhepunkts der Gebirgsbildung, doch diese Mineralien setzten ihre chemischen Uhren nur in Bereichen vollständig zurück, in denen Fluide vorhanden waren. Die dritte Generation erschien später, während einer Abkühlungsphase, und war eindeutig mit dem Eintreffen neuer Fluide verknüpft, die die Zusammensetzung der Mineralien veränderten. Durch die sorgfältige Trennung dieser verschiedenen Mineralgenerationen anhand ihrer chemischen Fingerabdrücke konnte das Team spezifische Zeitpunkte bestimmen. Sie ermittelten, dass die Hauptphase der Gebirgsbildung und die damit verbundene duktile Deformation zwischen etwa 18,8 Millionen und 17,1 Millionen Jahren vor stattgefunden hatte. Eine spätere Phase der Abkühlung und des Fluidbewegungen fand um 13,3 Millionen Jahre vor.

Die Studie zeigte auch, dass Fluide die Hauptantriebskräfte für die chemische und isotopische (Re-)Äquilibrierung waren, und nicht das bloße physische Zusammendrücken des Gesteins oder die Temperatur allein. Obwohl die Gesteine kein perfekt geschlossenes System bildeten, fanden die Forscher heraus, dass die Mylonitisierung in einem halbgeschlossenen System mit begrenztem Zugang zu extern zugeführten Fluiden stattfand. In den am stärksten deformierten Zonen deuteten die chemischen Signaturen darauf hin, dass Fluide knapp waren, weshalb die alten isotopischen Signale trotz der intensiven Spannung fortbestanden. Es war nur dort, wo Fluide die Reaktionen ermöglichten, dass die isotopischen Uhren auf das Alter der Deformation zurückgesetzt wurden. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Bewegung von Fluiden, und nicht das physische Zusammendrücken des Gesteins oder die Temperatur allein, der primäre Treiber war, der es den Mineralien ermöglichte, zu re-äquilibrieren und das Alter der Deformation aufzuzeichnen. Dies bedeutet, dass Geologen, um das Alter einer Gebirgskette genau zu datieren, zuerst die Rolle der Fluide verstehen und die chemische Kartierung nutzen müssen, um zwischen Mineralien zu unterscheiden, die während des Ereignisses entstanden sind, und solchen, die nur alte Überreste sind.

Diese Arbeit hat erhebliche Auswirkungen auf die Berechnung der Geschwindigkeit, mit der sich die Erdkruste verformt. Durch die Identifizierung der spezifischen Mineralien, die durch Fluide während der Deformation zurückgesetzt wurden, berechneten die Forscher eine Deformationsrate von etwa $8,68 \times 10^{-14}$ pro Sekunde. Dies ist ein Maß dafür, wie schnell sich das Gestein dehnte. Ihre Schätzung ist genauer als frühere Berechnungen, da sie vermeidet, altes und neues Material zu vermischen – ein häufiger Fehler in früheren Studien. Diese präzise Rate hilft Wissenschaftlern, die langsame, tiefe Bewegung der Erdkruste mit den schnelleren, spröden Erdbeben zu verknüpfen, die in der Nähe der Oberfläche auftreten. Sie zeigt, dass die langsame Akkumulation von Spannung in der mittleren Kruste direkt mit der plötzlichen Freisetzung von Energie in der oberen Kruste verbunden sein kann.

Die Ergebnisse liefern auch ein klareres Bild der geologischen Geschichte der Alpen. Der Zeitpunkt der Deformation stimmt mit der Westwärtsbewegung des Gebirgsgürtels überein, was auf eine direkte Verbindung zwischen der tiefen duktilen Dehnung der Kruste und der flacheren Faltung hindeutet, die das Jura-Gebirge schuf. Die Studie zeigt, dass das Gestein über einen Zeitraum von vier Millionen Jahren aus einer Tiefe von etwa 33 Kilometern auf etwa 16 Kilometer gehoben wurde, wobei es von Temperaturen von etwa 537 Grad Celsius auf 340 Grad Celsius abkühlte. Dieses Aufsteigen und Abkühlen geschah mit einer Rate von etwa 4,3 Kilometern pro Million Jahre.

Letztendlich zeigt diese Forschung, dass die Geschichte der Gebirgsbildung in den chemischen Details der Gesteine geschrieben steht, aber nur, wenn man weiß, wie man sie liest. Die Anwesenheit von Fluiden ist der entscheidende Schlüssel, der es ermöglicht, die internen Uhren des Gesteins zurückzusetzen und die Zeit der Deformation aufzuzeichnen. Ohne Fluide bewahrt das Gestein seine alte Geschichte, selbst während es umgeformt wird. Diese Erkenntnis erzwingt einen Wandel in der Herangehensweise der Geologen an die Datierung der Erdkruste. Es reicht nicht mehr aus, einfach ein Gestein zu zerquetschen und zu datieren; Wissenschaftler müssen nun die chemische Zusammensetzung der Mineralien kartieren, um die spezifischen Teile zu finden, die durch Fluide zurückgesetzt wurden. Dieser Ansatz stellt sicher, dass die erhaltenen Daten tatsächlich den Moment widerspiegeln, in dem die Berge gebaut wurden, anstatt eine Mischung aus alten und neuen Ereignissen zu sein. Die Studie bestätigt, dass Fluide, nicht nur Hitze oder Druck, die primären Treiber für chemische Veränderungen in der tiefen Erde sind, und dass das Verständnis dieser Beziehung entscheidend ist, um die dynamische Geschichte unseres Planeten zu rekonstruieren.