Enorme Zeitspanne zwischen Gebirgshebung und Erosion

Ein einzigartiger Nachweis von Erosionsraten über eine Zeitspanne von acht Millionen Jahren zeigt, dass zwischen der tektonischen Hebung und der Abtragung von Gebirgen sehr lange Zeit vergehen kann. Das ist das Ergebnis einer Untersuchung eines internationalen Teams von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in den argentinischen Anden.

Der Studie zufolge lag das Maximum der Hebung durch tektonische Verkürzung und damit der Gebirgsbildung in der Region zwischen zwölf und neun Millionen Jahren vor heute. Die höchsten Erosionsraten dagegen gab es vor rund sieben Millionen Jahren, also mit einer zeitlichen Verzögerung von zwei Millionen Jahren.

„Es ist sehr wichtig, diese Ergebnisse in dynamische Modelle der Gebirgsbildung zu integrieren“, sagt die GFZ-Wissenschaftlerin Hella Wittmann, Ko-Autorin der Veröffentlichung in der kommenden Ausgabe der Fachzeitschrift „Earth and Planetary Science Letters“. Sie fügt hinzu: „Wenn wir die ‚erosive Antwort‘ auf die Gebirgsbildung über lange Zeiträume quantifizieren können, dann eröffnet uns das neue Wege, um das Zusammenspiel von Tektonik und Klima zu verstehen – beides Faktoren, die die Landschaft unseres Planeten formen.“

Für ihre Studie untersuchten die Forscherinnen und Forscher Sandstein-Aufschlüsse im Vorland der argentinischen Präkordillere. Das amerikanisch-deutsche Wissenschaftler-Team der Syracuse und Indiana-Universitäten (beide USA) und des GFZs rekonstruierte anhand der Proben die Erosionsgeschichte des andinen Südamerikas um den 30. Breitengrad über die vergangenen acht Millionen Jahre. Die WissenschaftlerInnen nutzten dafür spezielle Formen von Beryllium (10Be) und Aluminium (26Al), so genannte kosmogene Nuklide.

Diese entstehen durch kosmische Strahlung in den obersten Metern des Erdbodens in allerdings sehr kleinen Mengen von nur wenigen Atomen pro Gramm Gestein und Jahr. Über Jahrtausende können sie sich ansammeln, solange Felsen freiliegen. Die Messung des Gehalts von 10Be und 26Al erlaubt daher einen Rückschluss auf die Erosionsraten von Gestein: große Mengen von 10Be zum Beispiel bedeuten, dass nur wenig Material abgetragen wurde. Sie finden sich in alten Kratonen. Rasch erodierendes Gestein weist dagegen nur wenige Atome von 10Be auf.

Im Grunde genommen gibt es zwei Modelle, die erklären, wie Gebirgsbildung und Erosion miteinander zusammenhängen könnten. Auf der einen Seite steht die Überlegung, dass gewissermaßen zeitgleich mit der tektonischen Hebung Erosionsprozesse einsetzen, die wiederum aufgrund der Massenabtragung zu weiterer Hebung führen; die Auflast des Gesteins wird abgetragen, sodass Material von unten nachkommt. Ein anderes Modell, das mehr die Entwässerung in den Blick nimmt, sagt eine zeitliche Verzögerung vorher: Zunächst hebt sich ein Gebirge, es entstehen durch Regen und abfließendes Wasser Täler und Einschnitte mit Schwellen, an denen sich Wasserfälle bilden. Diese Schwellen werden durch rückschreitende Erosion langsam flussaufwärts verlagert.

Den Beobachtungen der ForscherInnen zufolge erklärt sich die zwei Millionen Jahre währende Zeitspanne zwischen Gebirgsbildung und Abtragungsmaximum mit dem trockenen Klima in der Region: Es dauerte unter den semiariden Bedingungen so lange, bis der „Erosionspuls“ über das Gewässernetzwerk und die Schwellen aufwärts wanderte.

Titel der Studie: „Reconciling tectonic shortening, sedimentation and spatial patterns of erosion from 10Be-derived paleo-erosion rates in the Argentine Precordillera“
EPSL, September 2016 (online seit Juli 2016)
doi:10.1016/j.epsl.2016.06.015

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X16303028 (Link zur Studie)