Verschwundener Mega-Steilhang löst Rätsel der „großen Lücke“

Schon Charles Darwin rätselte über die „Great Unconformity“: Unterhalb der Gesteinsschichten aus dem Kambrium vor rund 540 Millionen Jahren liegen gut eine Milliarde Jahre ältere Schichten. Alles dazwischen fehlt – abgetragen durch eine urzeitliche Phase rapider und ungewöhnlich starker Erosion. Diese „große Lücke“ tritt besonders im Grand Canyon deutlich zutage: „Mehr als die Hälfte seiner zwei Milliarden Jahre alten Schichtenfolge fehlt“, erklären Thomas Gernon von der University of Southampton und seine Kollegen. Was war die Ursache der „Great Unconformity“? Doch die Ursache dieser „großen Lücke“ ist bis heute strittig. Einige Forschende sehen tektonische Prozesse wie den Zerfall des Urkontinents Rodinia vor 800 bis 717 Millionen Jahren oder die damit verknüpfte Gebirgsbildung als Hauptauslöser der Erosion. Andere halten dagegen die abtragende Kraft der Gletscher während der „Schneeball Erde“-Phase vor rund 717 Millionen Jahren für die Hauptursache. In dieser Zeit kühlte sich das Erdklima so stark ab, dass Meere zufroren und weite Teile der Erdoberfläche vergletscherten. Gernon und sein Team könnten nun eine Erklärung gefunden haben, die beide Ansätze vereint. „Die Debatte um die große Lücke erzwingt es scheinbar, sich zwischen Tektonik und Vergletscherung als Ursache zu entscheiden. Aber unserer Ansicht nach ist dies eine falsche Dichotomie“, erklären sie. Für ihre Studie hatten die Forschenden geologische Daten und ein auf die Entwicklung von Landschaften spezialisiertes Modell genutzt, um die tektonischen Ereignisse in Nordamerika vor 800 bis 700 Millionen Jahren zu rekonstruieren. Mega-Steilhang durch ganz Nordamerika Dabei zeigte sich: „Nach Beginn des Rodinia-Zerfalls entwickelte sich in den Modellen eine steile Schichtstufe, flankiert von einem Hochplateau“, berichten die Geologen. Durch Turbulenzen unterhalb der Erdkruste und die Bewegungen der Erdplatten hob sich der Untergrund parallel zur neu aufreißenden Plattengrenze mehrere Kilometer in die Höhe. „Auch das Grundgestein des Grand Canyon wurde als Teil dieser durch Riftprozesse erzeugten Steilstufe angehoben“, schreibt das Team. Beim Zerfall des Urkontinents Rodinia vor 800 Millionen Jahren entstand am Rand des Kontinentfragments Laurentia eine gewaltige Steilstufe (rosa). — © Gernon et al./ Geology, CC-by 4.0 Dadurch entstand ein riesiger Steilhang, der sich als langes Band durch das gesamte westliche Laurentia zog – den urzeitlichen Kontinentblock Nordamerikas. „Auf kontinentaler Ebene ähnelte der westliche Rand Laurentias dadurch einem erhöhten Tellerrand“, erklären Gernon und seine Kollegen. Sie vergleichen das urzeitliche Mega-Kliff mit den Steilstufen heutiger Rifttäler wie dem ostafrikanischen Grabenbruch. Auch dort hat das allmähliche Auseinanderreißen der Erdkruste hohe Steilhänge verursacht. Steilstufe förderte schnelle Abtragung Diese langgestreckte Mega-Klippe und die angrenzende gebirgige Hochebene veränderten die Landschaft grundlegend – und damit auch die Erosion. Die kilometerhoch aufragenden Felsschichten des früheren Untergrundgesteins waren nun der Abtragung durch Wasser, Wind und Eis ungeschützt ausgesetzt. „Die tektonische Anhebung schuf eine von steilen Hängen und Hochebene geprägte Landschaft, die Flüsse und Gletscher leicht abtragen konnten“, erklärt Gernon. Als Folge nahmen Verwitterung und Erosion entlang dieser Mega-Steilstufe stark zu. „Unsere Modelle sagen voraus, dass sich die Steilstufe durch rückschreitende Erosion immer weiter landeinwärts verlagerte“, schreiben die Forschenden. Allein dadurch könnten mehrere Höhenkilometer des ursprünglichen Untergrundgesteins abgetragen worden sein. Über die Flüsse gelangten so enorme Mengen Sediment in die Meere. Relikte der urzeitlichen Steilstufe und ihrer Erosion in Nordamerika vor rund 65 Millionen Jahren. — © Gernon et al./ Geology (under license from Ron Blakey/ Deep Time Maps), CC-by 4.0 Was der „Schneeball Erde“ damit zu tun hat An diesem Punkt kommt die zweite Theorie zur „großen Lücke“ ins Spiel: die „Schneeball Erde“-Phase vor rund 717 Millionen Jahren. Weil die tektonischen Veränderungen mehr Gesteinsverwitterung und Sedimenteinträge in die Ozeane bewirkten, förderten sie die Bindung des Treibhausgases CO2 und damit die Abkühlung des Klimas. Die urzeitliche Mega-Stufe könnte so indirekt zum Beginn der globalen Eiszeit beigetragen haben. Umgekehrt beeinflusste die Vereisung aber auch die Landschaft und insbesondere die steil aufragende Mega-Klippe und das angrenzende Hochland. Wegen ihrer Höhe vergletscherten sie besonders schnell und das hatte Folgen: „Die Gletschererosion dieses Terrains könnte die Abtragung und chemische Verwitterung noch weiter verstärkt haben“, erklären Gernon und sein Team. Das trug zur weiteren Abkühlung des Klimas bei, beschleunigte aber auch die Abtragung der Steilstufe und der in ihr exponierten Gesteinsschichten. Erkenntnisse auch für andere Kontinente relevant „Damit werfen diese Erkenntnisse neues Licht auf die Entstehung der Great Unconformity – der mysteriösen, eine Milliarde Jahre umfassenden Lücke in den Gesteinsschichten“, sagt Gernon. Zwar haben er und seine Kollegen nur die Geschehnisse im Gebiet des urzeitlichen Laurentia rekonstruiert. „Aber die Erkenntnisse sind auch für andere Kraton-Fragmente relevant, die beim Rodinia-Zerfall entstanden sind“, schreiben die Geologen. Ihren Resultaten zufolge müsste die große Lücke auf den Landmassen besonders deutlich sein, die ursprünglich im Zentrum Rodinias lagen. „Unsere Ergebnisse könnten Geologen dabei helfen, auch andere Regionen im Inneren alter Kontinente neu zu interpretieren, in denen ähnlich große Lücken in der geologischen Schichtabfolge bestehen“, sagt Gernon.