Subduktion

Subduktion ist der Vorgang, bei dem eine ozeanische Erdplatte unter eine benachbarte Platte abtaucht und in den Erdmantel zurückkehrt. Sie ist der Motor der Plattentektonik, die Ursache der stärksten Erdbeben und der Ort, an dem ein großer Teil der kontinentalen Kruste entsteht.

Was den Prozess antreibt

In vielen älteren Darstellungen zieht eine Konvektionsströmung im Erdmantel die Platten wie ein Förderband mit. Dieses Bild gilt heute als überholt, und zwar in seiner Kausalrichtung.

Der Befund stützt sich auf eine einfache Beobachtung, die auf Forsyth und Uyeda zurückgeht: Platten mit langen subduzierenden Rändern bewegen sich deutlich schneller als rein kontinentale Platten. Die Fläche einer Platte korreliert dagegen kaum mit ihrer Geschwindigkeit. Wäre eine großflächige Mantelströmung der Antrieb, müsste es umgekehrt sein. Hinzu kommt, dass moderne seismische Bildgebung keine mantelweiten Konvektionszellen findet, die groß genug wären, um Plattenbewegung zu erklären.

Offen ist weiterhin, welche Rolle der basale Mantelwiderstand spielt, also die Reibung an der Unterseite der Platten. Er wirkt je nach Situation bremsend oder treibend, und einige Arbeiten halten ihn für unterschätzt. Plattenfragmente ohne direkte Anbindung an einen Slab werden offenbar tatsächlich eher passiv vom Mantelfluss mitgeschleppt. Das Gesamtbild ist also hybrider als ein reines Slab-Pull-Modell.

Warum die Platte abtaucht und unten bleibt

Ozeanische Lithosphäre entsteht heiß am mittelozeanischen Rücken und kühlt ab, während sie sich davon entfernt. Mit der Abkühlung wird sie dichter und mächtiger. Ab einem Alter von etwa 30 Millionen Jahren übersteigt ihre Dichte die des darunterliegenden Mantels. Von da an ist sie gravitativ instabil, und wo eine Schwächezone existiert, beginnt sie abzutauchen.

Beim Abtauchen müsste die Platte eigentlich wieder leichter werden, denn sie erwärmt sich. Dass sie es nicht tut, liegt an einer Phasenumwandlung: Die basaltische ozeanische Kruste wird unter zunehmendem Druck zu Eklogit umgewandelt, einem sehr dichten Gestein aus Granat und Omphacit. Diese Eklogitisierung erhöht die Dichte stärker, als die Erwärmung sie senkt. Der Slab bleibt also schwerer als seine Umgebung und sinkt weiter.

Warum der Slab nicht schmilzt

Ein weit verbreiteter Satz lautet, die abtauchende Platte schmelze und liefere so das Magma für die Vulkane darüber. Das stimmt nicht.

Der eigentliche Mechanismus läuft über Wasser. Bei der Umwandlung von Blauschiefer zu Eklogit werden erhebliche Mengen an Wasser und anderen flüchtigen Verbindungen frei. Diese überkritischen Fluide steigen in den darüberliegenden Mantelkeil auf und senken dort den Schmelzpunkt des Gesteins drastisch ab. Der Fachbegriff dafür ist Flussschmelzung. Es schmilzt also nicht das heißere Material, sondern dasjenige, dem Wasser zugeführt wurde.

Auch das klassische Bild eines senkrechten Aufstiegs vom Slab direkt unter den Vulkanbogen gilt inzwischen als zu einfach. Eine Untersuchung an den Kleinen Antillen (Hicks et al., 2023) zeigt, dass ein großer Teil der Fluide aus der ersten Entwässerungsphase den warmen Mantelkeil unter dem aktiven Bogen gar nicht erreicht, weil er im kalten Vorbogen-Mantel hängen bleibt. Erst die zweite, tiefere Entwässerung liefert die Fluide, die tatsächlich zur Bogenmagmatik beitragen, und zwar über einen indirekten Weg durch den Back-Arc-Mantel.

Welche Gesteine entstehen

Subduktionszonen produzieren zwei völlig verschiedene Gesteinsfamilien: metamorphe Gesteine im abtauchenden Slab selbst und magmatische Gesteine in der darüberliegenden Platte.

Über den Vulkanbogen kommen weitere Gesteine hinzu, die nicht aus der Schmelze selbst, sondern aus der Art ihrer Förderung entstehen: Obsidian bei sehr rascher Abkühlung und Bims bei stark gasreichem Auswurf.

Erdbeben und Tsunamis

Entlang der Kontaktfläche zwischen den Platten, der Wadati-Benioff-Zone, entstehen die stärksten Erdbeben der Erde. Zwei Ereignisse haben das Verständnis dieser Megathrust-Beben grundlegend verändert.

Tohoku 2011

Vor 2011 galt der oberste, nahe der Tiefseerinne liegende Abschnitt der Plattengrenze als zu weich und zu wenig verfestigt, um große Brüche zu tragen. Das Tohoku-Beben mit einer Magnitude von 9,1 widerlegte das. Vergleichende Vermessungen des Meeresbodens zeigten einen koseismischen Versatz von über 50 Metern, der bis direkt an die Rinnenachse durchschlug. Für die Einschätzung des Tsunamirisikos flacher Subduktionsbereiche weltweit war das ein Einschnitt.

Als Ursache gelten unter anderem glatte, weiche pelagische Tone, die die Ausbreitung des Bruchs begünstigten, während stärker deformierte, metamorphosierte Tone sie eher begrenzten.

Sumatra 2004

Das Sumatra-Andamanen-Beben erreichte eine Bruchlänge von 1.300 bis 1.500 Kilometern. Diese Größenordnung war zuvor nicht für möglich gehalten worden und erzwang neue Auswertungsmethoden, darunter Mehrfachquellenmodelle und satellitengestützte Messungen von Tsunami und Schwerefeldänderung.

Bemerkenswert war ein anderes Ergebnis: Trotz seiner außergewöhnlichen Größe verhielt sich das Beben physikalisch nicht grundsätzlich anders als andere Megathrust-Beben. Erkenntnisse lassen sich also übertragen. Daraus folgt die heute geltende Einschätzung, dass praktisch jede reife Subduktionszone ein verheerendes Beben mit Tsunami erzeugen kann, auch eine, die zuvor als ruhig galt.

Was in der Tiefe passiert

Das gängige Bild zeigt den Slab, wie er gleichmäßig weiter absinkt, bis er die Kern-Mantel-Grenze erreicht. Seismische Tomographie zeichnet ein anderes Bild.

Viele Slabs stagnieren für zig Millionen Jahre horizontal in der Mantelübergangszone bei etwa 660 Kilometern Tiefe. Unter Europa, Ostasien und Nordamerika ist das eher der Regelfall als die Ausnahme. Einzelne Segmente kommen erst bei rund 1.000 Kilometern erneut zur Ruhe. Als Mechanismus wird seitlich gerichteter Mantelfluss diskutiert, der durch Druckgradienten entsteht und die Slabs horizontal wegzieht. Diese flachen Konfigurationen waren vor zehn Jahren noch kaum kartiert.

Wichtige Subduktionszonen

Weiter im Nachschlagewerk

Subduktion ist der Abschnitt des Gesteinskreislaufs, an dem Krustenmaterial in den Mantel zurückkehrt. Was dabei mit den Mineralen geschieht, steht unter Metamorphose. Die Mineralklasse, aus der die beteiligten Gesteine überwiegend bestehen, ist unter Silikate beschrieben.