Isostasie

Isostasie Geologie

Die Isostasie ist ein wichtiger Bestandteil der Geologie.

Durch die Isostasie können verschiedene geologische Prozesse wie die Gebirgsbildung erklärt werden.

Die Isostasie ist ein wichtiger Prozess. Bevor Du Dich aber mit der Isostasie beschäftigst, solltest Du Dir den Aufbau der Erde noch einmal genauer anschauen.

Isostasie – Aufbau der Erde

Der Aufbau der Erde lässt sich in Schalen oder Schichten beschreiben. Im Erdinnern befindet sich der Erdkern, der in den inneren, festen und äußeren, flüssigen Erdkern unterteilt ist.

Um den Erdkern herum liegt der Erdmantel. Der Erdmantel wird in den unteren und oberen Erdmantel eingeteilt. Im oberen Bereich des Erdmantels befinden sich die Asthenosphäre und die Lithosphäre.

Die Erdkruste wird häufig zur Lithosphäre und daher zum Erdmantel gezählt. Dabei unterscheidet man zwischen ozeanischer und kontinentaler Erdkruste. Die ozeanische Erdkruste hat eine Dichte von circa 3 g/cm³ und hat somit eine höhere Dichte als kontinentale Erdkruste. Die Dichte der kontinentalen Erdkruste liegt bei 2,8 g/cm³.

In der Tabelle 1 siehst Du alle Schalen der Erde mit ihrer Tiefe aufgelistet. Die Tiefe wird von der Erdoberfläche aus angegeben.

Tabelle 1 - Übersicht über den Aufbau der Erde

In dieser Abbildung siehst Du den Schalenaufbau der Erde nochmals grafisch dargestellt:

Abb. 1 - Schalenbau der Erde

Isostasie einfach erklärt

Durch das Prinzip der Isostasie wird das Senken und Heben von litosphärischen Platten erklärt. Gewöhnlicherweise beschäftigen sich überwiegend Geologen und Geologinnen mit diesem Prozess.

Isostasie Definition

Das Prinzip der Isostasie beruht auf Ausgleichsbewegungen der Asthenosphäre.

Unter der Lithosphäre versteht man eine Schicht des Erdkörpers. Sie ist fest und damit nicht fließfähig. Zur Lithosphäre gehören auch die ozeanische und kontinentale Kruste.

Die Asthenosphäre ist die Schicht, die sich unter der Lithosphäre befindet. Da die Asthenosphäre fließfähig ist, können sich ozeanische und kontinentale Kruste darauf bewegen.

Isostasie Prinzip

Da die Asthenosphäre fließfähig ist, kann sie Veränderungen in der Lithosphäre durch Ausweichen oder Nachfließen ausgleichen.

Die Erdkruste, die Lithosphäre und die Asthenosphäre haben jeweils unterschiedliche Dichten. Die Dichten betragen circa 2,8 g/cm³ oder 3,0 g/cm³ für die kontinentale und ozeanische Erdkruste, 3,3 g/cm³ für die Lithosphäre und 3,25 g/cm³ für die Asthenosphäre. ³

Stell Dir nun eine Säule vor. Diese Säule befindet sich auf einer sogenannten Ausgleichsfläche, dort herrscht immer und überall der gleiche Druck. Druck ist die Kraft, die auf eine Fläche einwirkt. Verändert sich der Druck durch unterschiedliche Prozesse in der Lithosphäre, muss der Druckunterschied durch Ausgleichsbewegungen der Asthenosphäre ausgeglichen werden.

Die Säule hat eine Fläche von 1 cm² und eine Höhe von 200 Kilometern. Die Höhe entspricht damit der Tiefe, bei der die Grenze von Asthenosphäre und oberem Erdmantel liegt.

Die oberen 30 Kilometer werden von der kontinentalen Kruste eingenommen. Danach folgt die Lithosphäre mit einer Dicke von 70 Kilometer und die Asthenosphäre, die 100 Kilometer einnimmt. Durch die verschiedenen Dichten unterscheidet sich das Gewicht der einzelnen Anteile der Säule.

Das Gewicht der Säule lässt sich wie folgt berechnen:

m = ρ * V

Dabei ist m die Masse, also das Gewicht, ρ die Dichte und V das Volumen, das sich durch das Multiplizieren der Fläche mit der Höhe berechnen lässt.

Die Säule sieht dann wie folgt aus:

Abb. 2 - Säulenmodell zur Erklärung der Isostasie

Anhand der isostatischen Hebung lässt sich das weitere Prinzip der Isostasie genauer erläutern.

Isostatische Hebung

Die Kollision von zwei litosphärischen Platten führt dazu, dass Asthenosphäre unter dem Bereich nachfließen muss, wo die Platten aufeinandertreffen. Dadurch kommt es zur isostatischen Hebung der Platten.

Die kontinentale Erdkruste kann sich verdoppeln. Das passiert dann, wenn sich Platten der Erdkruste übereinander schieben. Die Säule verschiebt sich dadurch und 60 Kilometer von der Säule werden jetzt von der kontinentalen Kruste eingenommen.

Die Lithosphäre ist fest und bleibt daher gleich mächtig. Da die Asthenosphäre fließfähig ist, weicht sie aus und verringert ihre Dicke, sodass sie nur noch 70 Kilometer dick ist.

Durch die unterschiedliche Dichte der einzelnen Schichten, verändert sich jetzt aber nicht nur die Dicke der Schichten, sondern auch das Gewicht der Säule, dass auf die Ausgleichsfläche drückt. Das bedeutet, dass sich auch der Druck ändert.

Da jedoch überall auf der Ausgleichsfläche der gleiche Druck herrschen muss, wird der Druckunterschied durch die Asthenosphäre ausgeglichen.

Daher muss jetzt Asthenosphäre nachfließen, damit der Druck im Gleichgewicht bleibt. Das führt dazu, dass die Schicht der Asthenosphäre wieder dicker wird und die kontinentale Erdkruste über Normalnull herausragt – diesen Prozess beschreibt man dann als isostatische Hebung.

Als Synonym zu Normalnull werden auch die Begriffe Wasser- oder Meeresspiegel genutzt.

Den isostatischen Ausgleich siehst Du hier:

Abb. 3 - Isostatischer Ausgleich einer Verdopplung der Erdkruste

Isostasie Plattentektonik

Durch die Eigenschaft der Asthenosphäre fließen zu können, können sich die Platten der Erdkruste bewegen. Darin liegt der Ursprung der Plattentektonik.

Durch die Isostasie können die Prozesse der Hebung und Senkung von Platten genauer erläutert werden. Daher ist die Isostasie wichtiger Bestandteil zur Erklärung der Plattentektonik.

Isostasie Beispiel

Ein isostatischer Ausgleich kann durch verschiedene Prozesse hervorgerufen werden. Der Ausgleich äußert sich dann auch unterschiedlich.

Neben der isostatischen Hebung bei zwei Platten der Erdkruste, die aufeinandertreffen, findet ein isostatischer Ausgleich auch bei

• Riftsystemen
• ozeanischer Kruste
• Eisschilden

Riftsystem

Wenn ein Kontinent zerbricht oder zwei Platten voneinander wegdriften, entsteht ein sogenanntes Riftsystem. Durch das Riftsystem gelangt Asthenosphäre bis unter die Erdkruste. Der Druck auf die Ausgleichsfläche verringert sich so, da die Lithosphäre nicht mehr vorhanden ist und die Dichte der Asthenosphäre geringer ist als die Dichte der Lithosphäre.

Durch den isostatischen Ausgleich wird der Druck ausgeglichen. Dieser Ausgleich erfolgt jetzt dadurch, dass Asthenosphäre wieder unter den Bereich des Riftsystems nachfließt. Dadurch ist der Druck auf der Ausgleichsfläche wieder im Gleichgewicht und es kommt auch hier zu einer Hebung.

Hier siehst Du das Säulenmodell eines Riftsystems:

Abb. 4 - Säulenmodell der Isostasie an einem Riftsystem

Isostatische Senkung – Ozeanische Kruste

Ozeanische Kruste hat eine höhere Dichte als kontinentale Kruste. Außerdem ist sie um einiges dünner: Während die kontinentale Kruste im Durchschnitt 30 Kilometer dick ist, misst die ozeanische Kruste meist nur eine Dicke von 3 bis 10 Kilometern.

Im Vergleich zur kontinentalen Kruste wiegt die ozeanische Kruste durch die höhere Dichte mehr. Das höhere Gewicht führt dazu, dass ein höherer Druck auf die Ausgleichsfläche wirkt. Das ist immer der Fall, wenn es sich bei der Erdkruste um ozeanische Kruste handelt. Um diesen Druck auszugleichen, weicht die Asthenosphäre in diesen Fällen aus und es kommt zu einer Senkung der ozeanischen Kruste.

Hier siehst Du den isostatischen Ausgleich mit einer ozeanischen Kruste in einem Säulenmodell:

Abb. 5 - Säulenmodell der Isostasie an ozeanischer Kruste

Glazialisostasie

Die Glazialisostasie ist eine Form der Isostasie. Sie resultiert aus der Auflast von Eisschilden, also großen Eismassen. Eisschilde können bis zu 2.000 Meter mächtig sein. Durch ihre Auflast sinkt die Erdkruste, die sich unter dem Eisschild befindet, ab.

Auf der Ausgleichsfläche herrscht durch die Eisschilde jetzt ein höherer Druck. Die Asthenosphäre gleicht diesen Druck aus, indem sie unter dem Bereich des Eisschildes ausweicht. Dadurch kommt es zur isostatischen Senkung.

Kommt es zum Schmelzen des Eisschildes, zum Beispiel durch die Erderwärmung, wird die Erdkruste wieder entlastet. Durch die Entlastung hebt sich die Erdkruste wieder durch die isostatische Hebung.