Mantlewogen heben Kontinente nach oben und schmücken sie mit Diamanten.

Seit Milliarden von Jahren sind die Kontinente wie tektonische Gefäße über die Erdoberfläche geglitten, aber sie sind nicht unbeschadet geblieben. Wellen in der darunter liegenden Schicht, die als Mantel bekannt ist, können die Kiele der Kontinente abtragen, ihre Oberflächen anheben und so prominente Landformen fernab von aktiven Plattenrändern bilden, schlagen Forscher in der Ausgabe vom 8. August in Nature vor. Die Studie liefert eine plausible Entstehungsgeschichte für rätselhafte Hochebenen, die aus ansonsten geologisch ruhigen Landschaften herausragen.

Die Forscher konnten "Prozesse ausweiten und verknüpfen, über die wir schon lange spekuliert haben", sagt der Geologe David Foster von der University of Florida in Gainesville. Die Studie baut auf einer im letzten Jahr veröffentlichten Forschung auf, die darauf hindeutete, dass Mantelwellen auch Eruptionen von diamantführenden Magmen namens Kimberlite auslösen könnten.

Im Mittelpunkt dieser Geschichte liegen die Kratone, große Blöcke aus größtenteils kristallinem Gestein, die typischerweise die Inneren der Kontinente ausfüllen. Sie sind die ältesten Fragmente der Erdkruste, von denen viele vor mehr als 2,5 Milliarden Jahren während des Archaikums entstanden sind. Viel von der Kruste, die einst auf der Erde existierte, wurde in Subduktionszonen zerstört, wo eine tektonische Platte in den Mantel unter eine andere abtaucht. Die Kratone entgingen jedoch diesem Schicksal.

Die Langlebigkeit der Kratone verdanken sie ihren Wurzeln oder Kiefern, sagt Foster. Kratone sind viel dicker als die umgebende kontinentale Kruste, mit Kiefern, die Hunderte von Kilometern tief in den Mantel reichen können. Die Kiefern sind relativ schwimmfähig und tragen so dazu bei, dass die Kratone über Wasser bleiben und intakt bleiben, während andere Teile der Kruste subduziert werden.

Aber etwas an den Kratonen hat Geologen lange gerätselt. Einige, wie der Kaapvaal-Kraton in Südafrika, sind von riesigen Hochebenen gekrönt, die von dramatischen Steilhängen umgeben sind. Aber Kratone gelten als stabil und oft weit entfernt von der Landhebungstektonik, die an Plattenrändern stattfindet. Was also hat diese Hochebenen gehoben?

Einige Studien haben vorgeschlagen, dass die Landformen entstanden sind, als der Kraton über eine große Schmelzen aufsteigende Materialwelle aus dem tiefen Mantel floss (SN: 3/15/23). Aber der geologische Rekord scheint diese Erklärung nicht zu unterstützen, sagt der Geowissenschaftler Thomas Gernon von der University of Southampton in England.

Also haben Gernon und Kollegen Computersimulationen genutzt, um die Entwicklung eines Risses, der mitten auf einem Kontinent auftrat, zu verfolgen. Sie fanden heraus, dass Druckänderungen unter dem Graben Zirkulationen im Mantel anregten, eine Welle erzeugten, die sich seitlich unter einem Kontinent etwa 20 Kilometer pro Million Jahre fortbewegte.

Wenn die Welle in der Simulation auf den Kiel eines Kratons traf, schälte sie sich ab und riss Material in den Mantel. Dadurch wurde der Kontinent allmählich entlastet, was dazu führte, dass die darüberliegende Oberfläche wie ein Schiff, das seiner Ladung entlastet wurde, nach oben stieg. Dieser Anstieg folgte den Mantelwellen über Hunderte von Kilometern über den Kraton, hob eine stabile Hochebene ungefähr ein bis zwei Kilometer hoch an, sagt Gernon. Und während diese erhöhten Regionen durch Wind und Wasser erodiert wurden, hob sich die Oberfläche noch weiter an.

Kontinentale Gräben können Wellen im darunter liegenden Mantel auslösen, die die Kruste anheben und eine ausgedehnte Hochebene bilden. Klicken Sie durch die folgende Diashow, um zu sehen, wie das passiert. In jeder Abbildung ist der Kontinent in seine obere Kruste, untere Kruste und kontinentale Lithosphärenschichten unterteilt, sowie eine relativ instabile thermische Grenzschicht. Unter dem Kontinent liegt die Asthenosphäre, die deformierbare obere Schicht des Erdmantels.

Wie Mantelwellen die Erdoberfläche anheben, um breite Hochebenen zu bilden

Die Forscher verknüpften ihre Simulationen auch mit dem geologischen Bericht. Aus früher veröffentlichten Forschungen zogen sie geochemische Daten aus Gesteinen auf der Hochebene von Südafrika, die die thermische Geschichte der Hochebene aufzeichneten. Die Daten zeigten, dass die schnellsten Abkühlungsraten - ein Proxy dafür, wann die Gesteine am schnellsten angehoben wurden - mit der Wanderung einer Mantelwelle übereinstimmten.

Die Studie verknüpft viele disparate Hypothesen, sagt die Geophysikerin Cynthia Ebinger von der Tulane University in New Orleans. Wissenschaftler hatten früher bereits Rifting mit Kimberlitvulkanismus in Verbindung gebracht und gezeigt, dass Kraton-Kiele durch Materialzirkulation im Mantel geschält werden können (SN: 9/19/23). Aber bis jetzt hatte niemand diese Teile mit der rätselhaften Topographie der Kratone verbunden.

"Diese archaischen Fragmente kontrollieren immer noch Aspekte der Plattentektonik", sagt Ebinger. "Diese frühe Phase in der Geschichte der Erde ist immer noch sehr wichtig."