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Welche Faktoren kontrollieren die Höhe von Gebirgen?

Die Anden vom Weltraum aus betrachtet. Die Höhe der Anden wird, wie die Höhe anderer Gebirge auf der Erde, durch tektonische Kräfte bestimmt (Foto: NASA; Astronaut photograph ISS059-E-517).
Das Diagramm vergleicht die durchschnittliche Höhe von Gebirgen mit der Scherkraft DFs, die entlang von tektonischen Plattengrenzen wirkt. Global betrachtet zeigt sich, dass die Gebirgshöhe linear mit dieser Kraft ansteigt. Daraus folgt, dass die Höhe von Gebirgen im Wesentlichen tektonisch bestimmt ist und dass die weltweiten Höhenunterschiede aus verschieden starken Kräften resultieren (Abb.: Dielforder et al. 2020, Nature: DOI 10.1038/s41586-020-2340-7).

Welche Kräfte und Mechanismen bestimmen über die Höhe von Bergen? Eine Gruppe von Forschenden aus Münster und Potsdam hat nun eine überraschende Antwort gefunden: Es sind nicht Erosion und Verwitterung von Gestein, die die Obergrenze von Gebirgsmassiven festlegen, sondern es ist ein Kräftegleichgewicht in der Erdkruste. Für die Geowissenschaften ist dies eine fundamental neue und wichtige Erkenntnis. Die Forschenden berichten darüber in der Fachzeitschrift Nature.

Die höchsten Gebirgsgürtel unserer Erde, etwa der Himalaya oder die Anden, erstrecken sich entlang von so genannten konvergenten Plattengrenzen. Dort bewegen sich zwei Erdplatten aufeinander zu, und eine der Platten wird gezwungen, unter die andere in den Erdmantel abzutauchen. Bei diesem Prozess der Subduktion kommt es auf der Kontaktfläche zwischen den beiden Platten immer wieder zu starken Erdbeben. Außerdem entwickeln sich über Jahrmillionen Gebirge an den Rändern der Kontinente.

Ob die Höhe dieser Gebirge vor allem durch tektonische Vorgänge im Erdinneren bestimmt wird oder hauptsächlich durch Erosion und den Abtransport von Material an der Erdoberfläche kontrolliert ist, wird in den Geowissenschaften seit langem kontrovers diskutiert.

Die neue Studie von Wissenschaftlern des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ in Potsdam und des Instituts für Geologie und Paläontologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster zeigt nun zum ersten Mal, dass Erosion durch Flüsse und Gletscher keinen nennenswerten Einfluss auf die Höhe von Gebirgen hat. Zu diesem überraschenden Ergebnis gelangten die Forscher unter der Leitung von Armin Dielforder (GFZ), indem sie die Kräfte entlang verschiedener Plattengrenzen auf der Erde berechneten. Sie nutzten dazu Daten, die Aufschluss über die Festigkeit von Plattengrenzen geben und sich zum Beispiel aus Wärmeflussmessungen im Untergrund ableiten. Der Wärmefluss an konvergenten Plattengrenzen wird wiederum von der Reibungsenergie an den Grenzflächen der Kontinentalplatten beeinflusst.

Man kann sich die Gebirgsbildung anhand eines Tischtuches vorstellen. Legt man beide Hände unter das Tuch auf die Tischplatte und schiebt, so faltet sich das Tuch auf, zugleich rutscht es immer wieder ein bisschen über die Handrücken. Die Falten würden den Anden entsprechen, das Rutschen über die Handrücken der Reibung im Untergrund – je nach Gesteinseigenschaften bauen sich dabei auch Spannungen auf, die sich in schweren Erdbeben entladen, insbesondere an Subduktionszonen.

Die Forschenden sammelten aus der Literatur weltweite Daten zur Reibung im Untergrund von unterschiedlich hohen Gebirgszügen (Himalaya, Anden, Sumatra, Japan) und berechneten daraus die entstehenden Spannungen und damit auch die Kräfte, die zur Hebung der jeweiligen Gebirge führen. So wiesen sie nach, dass sich in aktiven Gebirgen die Kraft auf der Plattengrenze und die Kräfte, die sich aus dem Gewicht und der Höhe des Gebirges ergeben, die Waage halten. Solch ein Kräftegleichgewicht herrscht in allen untersuchten Gebirgen, obwohl diese in unterschiedlichen Klimazonen mit stark variierenden Erosionsraten liegen. Dieses Ergebnis zeigt, dass Gebirge in der Lage sind, auf Erdoberflächenprozesse zu reagieren und bei schneller Erosion so zu wachsen, dass das Kräftegleichgewicht und die Höhe des Gebirges erhalten bleiben. Diese fundamental neue Erkenntnis eröffnet zahlreiche Möglichkeiten, die langfristige Entwicklung und das Wachstum von Gebirgen eingehender zu erforschen.

Originalstudie: Dielforder, A., Hetzel, R., Oncken, O., 2020. Megathrust shear force controls mountain height at convergent plate margins. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2340-7

Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Armin Dielforder
Sektion Dynamik der Lithosphäre
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-27542
Email: armin.dielforder@gfz-potsdam.de

Medienkontakt:
Josef Zens
Leiter Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg
14473 Potsdam
Tel.: +49 331 288-1040
Email: Josef.Zens@gfz-potsdam.de

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