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Zusammenhang zwischen Magmatismus und Deformation der Erdkruste

von Franz Egli-Arm

Studium Integrale Journal
7. Jahrgang / Heft 2 - Oktober 2000
Seite 80 - 82



Untersucht man die Erdkruste auf aktuell ablaufende geologische Aktivität, so erkennt man schmale, sich über große Bereiche des Globus hinziehende Zonen mit hoher anhaltender Krustendeformation neben umfangreichen ruhigen Zonen, wo geologisch nichts oder wenigstens nichts Meßbares geschieht. Untrüglich offenbaren sich die aktiven Gebiete auf Karten der Erdbebenhäufigkeit: Sämtliche Regionen dieses Typs verraten sich durch eine hohe Herddichte.


Abb. 1: Schematische Darstellung einer Verschiebung von zwei Krustenblöcken A und B entlang der schraffierten Fläche ("fault plane") um den Vektor S. S weist einen horizontalen Anteil und einen Anteil entlang der Fallinie der Verschiebungsfläche auf. (Nach "Plate Tectonics", A. Cox, R.B. Hart, Blackwell Sci. Pub. 1986, Box 6-8)

Abb. 1

Da praktisch alle Erdbeben durch Verschiebung von zwei Erdkrustenschollen gegeneinander entstehen, sind dort, wo die meisten Erdbeben auftreten, auch die meisten aktiven Verschiebungsflächen zu suchen. Tatsächlich kann man die Schnittlinie solcher Flächen mit der Erdoberfläche, sogenannte Störungslinien (Abb. 1), an vielen Stellen auf der Welt beobachten. Die wohl berühmteste Stelle befindet sich in Kalifornien: Die San-Andreas-Störung.

Ein weiteres Merkmal der geologisch aktiven Zonen ist der Magmatismus. Der weit überwiegende Teil der in geschichtlicher Zeit aktiven Vulkane läßt sich mit einer solchen Zone in Verbindung bringen. Die durch Erosion freigelegten Relikte von Krustendeformationen der geologischen Vergangenheit zeigen, daß auch verborgen unter der Erdoberfläche Auswirkungen zu erwarten sind: Magma (teilweise aufgeschmolzenes Gestein) aus der Unterkruste (ca. 30 km im Erdinnern) durchdringt das darüberliegende feste Gestein, sammelt sich in wenigen Kilometern Tiefe und erstarrt dort. So entstehen nach allgemeiner Auffassung die Gesteinskomplexe (Plutone) granitischer Zusammensetzung (Egli-Arm 1998).

Bei mehreren regionalen geologischen Untersuchungen wurde darauf hingewiesen, daß zwischen den Plutonen und den ausgedehnten Störungen ein genetischer Zusammenhang bestehen müsse. Die beiden Strukturen würden sich oft überschneiden und lägen überdies mehr oder weniger parallel zueinander. Diese Überlegungen wurden aber bis vor kurzem einzig aus qualitativen (visuellen) Abschätzungen und nicht aus rigorosen statistischen Berechnungen abgeleitet. Weil ein gemeinsamer Ursprung der Strukturen sehr einleuchtend erschien, meldeten sich auch kaum kritische Stimmen. Verschiebungsflächen sind naturgemäß Schwächezonen der Erdkruste, und so ist es naheliegend anzunehmen, aufsteigendes Magma würde den Weg entlang dieser Flächen bevorzugen. Und wirklich: In einigen wenigen Feldsituationen fanden die Geologen schlüssige Indizien für einen solchen Zusammenhang (z.B. Hutton et al. 1990).

K. L. Schmidt und S. R. Paterson (Paterson & Schmidt 1999; Schmidt & Paterson 2000) von der University of Southern California, Los Angeles, gingen nun dieser Sache nach. Sie sagten sich: Falls ein solcher genetischer Zusammenhang besteht, sollte eine gut angelegte statistische Analyse der beiden Strukturen hohe Korrelationswerte ergeben. Fünf Gebiete der Erde mit unruhiger Vergangenheit, die immer wieder als Beispiele für eine starke Korrelation zwischen Plutonen und Störungslinien zitiert wurden, dienten den Autoren als Versuchsobjekte. Die Gebiete weisen je einen Durchmesser von einigen 100 km auf und befinden sich in Frankreich, Großbritannien, Brasilien und den USA. Viele Verschiebungsflächen durchziehen die einzelnen untersuchten Regionen, und die Oberfläche ist übersät mit Plutonen (Beispiel: Abb. 2).


Abb. 2: Schematische Darstellung eines der untersuchten Gebiete. 1: Störungslinien, 2: An der Oberfläche zu Tage tretende Teile von Plutonen (nur je 3 bezeichnet), 3: Gitternetz parallel zur Störung 4 (siehe Text). 5: Gitterelement. Zur Beachtung: An Störungslinien endende Plutonteile bestehen nicht, wie man meinen könnte, durch Ausfluß von Magma entlang der Störungslinie, sondern stellen Plutone dar, die durch die Störung in zwei Teile zerschnitten sind. Wegen der relativen Verschiebung der Schollen entlang der Störungsfläche kann es geschehen, daß die Deckschichten (meist Sedimente) auf der einen Seite der Störung wegerodiert sind, auf der anderen Seite jedoch noch nicht. Gezeichnet wurden aber nur Plutonteile, die an der Erdoberfläche zu erkennen sind.

Abb. 2

Zuerst bestimmten Schmidt und Paterson für jedes Gebiet, welche Plutone und Störungslinien ungefähr zur selben Zeit entstanden bzw. aktiv waren und überzogen jedes der Gebiete nach bestimmten Kriterien mit einem oder mehreren Gitternetzen. Der Gitterlinienabstand betrug wenige Kilometer. Für jedes der entstehenden Flächenelemente (Vierecke) wurde der Abstand des Mittelpunkts zur nächsten Störungslinie ermittelt (Abb. 2). Über alle Flächenelemente mit gleichem Abstand zu einer Störungslinie summierten die Autoren den Flächenanteil, der von einem zeitgleichen Pluton überdeckt wird. Falls sich die Plutone um die Verschiebungsflächen häufen würden, müßte der Anteil bei jenen Flächenelementen am höchsten sein, die an eine Störungslinie angrenzen. Überraschenderweise erhielten die Autoren nicht dieses Ergebnis. Vielmehr befand sich das Maximum bei einem Abstand je nach Region zwischen 1/5 und 1/2 des durchschnittlichen Abstands zwischen benachbarten Störungslinien. Alle Maxima erwiesen sich als statistisch signifikant. Die Autoren sprechen sogar von einer schwachen Tendenz der Plutone, die Störungslinien zu meiden.

Mit geringem Aufwand wurde ein seit Jahrzehnten bestehendes Modell ins Wanken gebracht.

Etwas anders sieht es bei der Parallelität der Strukturen aus. Plutone und Störungslinien stehen gehäuft parallel zueinander, wobei jedoch diese Häufung nicht signifikant ist. In zwei Gebieten ließ sich noch folgendes feststellen: Je ausgeprägter die Plutone in die Länge gezogen sind, desto ausgeprägter ist die Parallelität. Diese wenigstens andeutungsweise vorhandene Korrelation beweist aber in keiner Weise einen genetischen Zusammenhang. Sie kann auch ganz einfach den regionalen Spannungszustand in diesem Gebiet zur Zeit der aktiven Deformation widerspiegeln.

Falls diese Befunde auch bei Untersuchungen in weiteren erdgeschichtlich aktiven Zonen bestätigt werden, müssen einige Vorstellungen über die Entstehung der Tiefengesteine revidiert werden. Die verbreitete Ansicht, die Gesteinsschmelze fließe vorwiegend den ausgedehnten zweidimensionalen Schwächezonen entlang, läßt sich zumindest so nicht mehr halten. Eine interessante Forschungsaufgabe wird es sein, eine Erklärung für die Maxima in einem für die Region charakteristischen Abstand von den Störungslinien zu finden.

Bemerkenswert ist, mit welch geringem Aufwand Schmidt und Paterson ein seit Jahrzehnten bestehendes Modell ins Wanken, wenn nicht gar, was die Zukunft zeigen muß, zum Einsturz gebracht haben. Offenbar unterließen es die betroffenen Wissenschaftler bis vor kurzer Zeit, ihr Modell anhand von davon abgeleiteten Hypothesen zu testen.



Literatur

  • Egli-Arm F (1998) Schnelle Intrusion von Granitschmelzen durch Dikes. Stud. Int. J. 5 (1998), 6-16.
  • Hutton DHW, Dempster TJ, Brown PE, Becker SD (1990) A new mechanism of granite emplacement: intrusion in active extensional shear zones. Nature 343, 452-455.
  • Paterson SR & Schmidt KL (1999) Is there a close spatial relationship between faults and plutons? J. Struct. Geol. 21, 1131-1142.
  • Schmidt KL & Paterson SR (2000) Analyses fail to find coupling between deformation and magmatism. EOS Trans. (AGU) 81, 18, 197-203.


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