Physikalische Geologie, Erste Ausgabe der University of Saskatchewan

Der Mantel kann konvektieren, weil er sich durch Fließen über sehr lange Zeitskalen verformen kann. Das bedeutet, dass tektonische Platten auf dem Mantel schwimmen, wie ein Floß, das im Wasser treibt, anstatt auf dem Mantel zu ruhen wie ein Floß, das auf dem Boden sitzt. Wie hoch die Lithosphäre schwimmt, hängt vom Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft, die die Lithosphäre nach unten zieht, und der Auftriebskraft ab, die der Mantel der Abwärtsbewegung der Lithosphäre entgegensetzt. Isostase ist der Zustand, in dem die Schwerkraft, die die Platte in Richtung Erdmittelpunkt zieht, durch den Widerstand des Mantels, die Platte sinken zu lassen, ausgeglichen wird.

Um zu sehen, wie Isostase funktioniert, betrachten Sie die Flöße in Abbildung 3.18. Das Floß auf der rechten Seite sitzt auf festem Beton. Das Floß wird auf der gleichen Höhe bleiben, egal ob sich zwei oder vier Personen darauf befinden, weil der Beton zu stark ist, um sich zu verformen. Im Gegensatz dazu ist bei den Flößen auf der linken Seite, die in einem mit Erdnussbutter gefüllten Schwimmbecken schwimmen, Isostasie im Spiel. Mit nur einer Person an Bord schwimmt das Floß hoch in der Erdnussbutter, aber mit drei Personen sinkt es gefährlich tief. In diesem Beispiel wird Erdnussbutter und nicht Wasser verwendet, weil die Viskosität von Erdnussbutter (ihre Steifigkeit oder ihr Widerstand gegen das Fließen) das Verhältnis zwischen den tektonischen Platten und dem Erdmantel besser darstellt. Obwohl Erdnussbutter eine ähnliche Dichte wie Wasser hat, bedeutet ihre höhere Viskosität, dass, wenn eine Person zu einem Floß hinzugefügt wird, es länger dauert, bis das Floß tiefer in die Erdnussbutter einsinkt, als es dauern würde, bis das Floß im Wasser versinkt.

Die Beziehung der Erdkruste zum Erdmantel ist ähnlich wie die Beziehung der Flöße zur Erdnussbutter. Das Floß mit einer Person darauf schwimmt bequem hoch. Auch mit drei Personen darauf hat das Floß eine geringere Dichte als die Erdnussbutter, so dass es zwar schwimmt, aber für diese drei Personen unangenehm niedrig. Die Kruste mit einer durchschnittlichen Dichte von ca. 2,6 g/cm3 ist weniger dicht als der Erdmantel (durchschnittliche Dichte von ~3,4 g/cm3 nahe der Oberfläche, aber mehr in der Tiefe), und so schwimmt es auf dem Erdmantel. Wenn der Kruste durch den Prozess der Gebirgsbildung Gewicht hinzugefügt wird, sinkt die Kruste langsam tiefer in den Mantel, und das Mantelmaterial, das sich dort befand, wird zur Seite geschoben (Abbildung 3.19, links). Wenn die Erosion über Dutzende von Millionen Jahren Material von den Bergen abträgt und damit das Gewicht verringert, prallt die Kruste zurück und das Mantelgestein fließt zurück (Abbildung 3.19, rechts).

Isostasie und Glazialer Rebound

Die Kruste und der Mantel reagieren auf ähnliche Weise auf die Vergletscherung. Dicke Anhäufungen von Gletschereis verleihen der Kruste zusätzliches Gewicht, und die Kruste senkt sich ab und schiebt den Mantel aus dem Weg. Der grönländische Eisschild mit einer Dicke von über 2.500 m hat die Kruste unter den Meeresspiegel gedrückt (Abbildung 3.20a). Wenn das Eis schließlich schmilzt, werden sich Kruste und Mantel langsam erholen (Abbildung 3.20b), aber die vollständige Erholung wird wahrscheinlich mehr als 10.000 Jahre dauern (3.20c).

Große Teile Kanadas erholen sich immer noch vom Verlust des Gletschereises der letzten 12.000 Jahre, ebenso wie andere Teile der Welt (Abbildung 3.21). Die höchste Hebungsrate gibt es in einem großen Gebiet westlich der Hudson Bay, wo das Laurentide-Eisschild mit über 3.000 m am dicksten war. Das Eis verließ diese Region schließlich vor etwa 8.000 Jahren, und die Kruste hebt sich derzeit mit fast 2 cm/Jahr. Ein starker isostatischer Rückprall findet auch in Nordeuropa statt, wo das Fenno-Skandische Eisschild am dicksten war, sowie im östlichen Teil der Antarktis, der während des Holozäns ebenfalls einen erheblichen Eisverlust erlebte.

Ein glazialer Rückprall an einem Ort bedeutet eine Absenkung in den umliegenden Gebieten (Abbildung 3.21, gelbe bis rote Regionen). Regionen rund um die ehemaligen Laurentiden- und Fenno-Skandischen Eisschilde, die angehoben wurden, als Mantelgestein zur Seite und unter sie gedrückt wurde, sinken nun ab, da das Mantelgestein zurückfließt.

Wie kann der Erdmantel sowohl fest als auch plastisch sein?

Sie fragen sich vielleicht, wie es möglich ist, dass der Erdmantel ein festes, starres Gestein ist, und dennoch konvektiert und fließt er wie eine sehr viskose Flüssigkeit. Die Erklärung ist, dass sich der Erdmantel wie eine nicht-newtonsche Flüssigkeit verhält, was bedeutet, dass er unterschiedlich auf Spannungen reagiert, je nachdem, wie schnell die Spannung aufgebracht wird.

Ein gutes Beispiel für nicht-newtonsches Verhalten ist die Verformung von Silly Putty, das hüpfen kann, wenn es beim Fallenlassen schnell zusammengedrückt wird, und bricht, wenn man stark daran zieht. Es verformt sich jedoch flüssig, wenn die Spannung langsam aufgebracht wird. Die Schwerkraft, die über einen Zeitraum von Stunden angewendet wird, kann dazu führen, dass es sich wie eine Flüssigkeit verformt und durch ein Loch in einer Glastischplatte tropft (Abbildung 3.22). In ähnlicher Weise fließt der Mantel, wenn er der langsamen, aber stetigen Belastung durch eine wachsende (oder schmelzende) Eisdecke ausgesetzt wird.