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5.3: Entstehung eines Akkretionskeils

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Video: Entstehung eines Akkretionskeils

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Eingangsbild: Kompressionsstrukturen in Sedimenten eines Akkretionskeils, Miura-Halbinsel, Japan (© Meschede, 2008)

Kapitel 5.3

Entstehung eines Akkretionskeils

An einer konvergenten Plattengrenze kann es über der Subduktionszone zur Ausbildung eines Akkretionskeils kommen. In Abb. 5.3.1 ist das am Beispiel des konvergenten Plattenrandes vor der Insel Java in Indonesien dargestellt. Hier wird Sedimentmaterial, das auf der abtauchenden Platte zuvor während der Plattendrift abgelagert wurde, abgeschabt und auf die darüber liegende obere Platte übertragen. Es wird also nicht subduziert, sondern in den Akkretionskeil der überfahrenden Platte eingefügt. Die Bezeichnung Keil ergibt sich aus der keilförmigen Struktur, die dieses Gebilde in einem Profilschnitt senkrecht zur Subduktionszone aufweist.

Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten der Akkretion: sedimentäre und magmatische Akkretion.

Die sedimentäre Akkretion findet im obersten Bereich der Subduktionszone statt, also direkt an der Plattengrenze und auf der überfahrenden Platte. Hier wird Sedimentmaterial, das auf der subduzierenden Platte abgelagert wurde, tektonisch abgeschabt und auf die überfahrende Platte übertragen. Daraus bildet sich dann die keilförmige Struktur, die wir als Akkretionskeil bezeichnen.

Akkretionskeile bilden sich allerdings bei Weitem nicht an jeder konvergenten Plattengrenze: man geht davon aus, dass es nur an etwa der Hälfte aller konvergenten Plattenränder zur Ausbildung eines Akkretionskeils kommt. Das hängt vor allem von der Menge des eingebrachten Sedimentes und in geringerem Maße von der Subduktionsgeschwindigkeit ab. Das bedeutet aber auch, dass Sedimentmaterial weiter nach unten in den Bereich des Erdmantels subduziert wird.

Sedimente, die nicht in einen Akkretionskeil gelangen, werden weiter nach unten in die Subduktionszone gezogen. Und auch dort, wo sich ein Akkretionskeil bildet, wird immer ein Teil des Sedimentmaterials weiter nach unten subduziert. Kontinentales Krustenmaterial, zu dem auch die abgelagerten Sedimente gehören, sind jedoch zu leicht, um wieder in den Erdmantel integriert zu werden. Hier fehlen die schweren Bestandteile wie z.B. Eisen. Die Sedimente werden aber trotzdem in der Subduktionszone zunächst mal tiefer hinuntergezogen. Allerdings nur bis in eine Tiefe von ungefähr 100 bis 150 km, wo sie dann schließlich komplett aufgeschmolzen werden. Verstärkt wird dies dadurch, dass das subduzierende Sedimentmaterial Wasser enthält, das in der Subduktionszone noch nicht ausgepresst worden ist und das in der Tiefe dazu führt, dass der Schmelzpunkt der Gesteine deutlich herabsetzt wird. Dadurch können sich magmatische Schmelzen bei den dort herrschenden Temperaturen sehr viel leichter bilden. Sie steigen dann nach oben in die Kruste auf, auch weil sie relativ leicht sind, und bilden über der Subduktionszone den magmatischen Gürtel, aus denen die Vulkane an der Oberfläche gespeist werden.

In den tiefen Bereichen etwa an der Basis der Lithosphäre findet die magmatische Akkretion statt, die letztlich dazu führt, dass das gesamte leichte Sedimentmaterial am Ende in die überfahrende Platte übertragen wird.

In Abb. 5.3.3 ist dargestellt, wie das Sedimentmaterial, das auf der hereinkommenden Platte abgelagert wurde, abgeschabt und auf die überfahrende Platte übertragen wird. Die Überschiebungsfläche, an der die Sedimentschichten abgeschert werden, nennt man das Décollement (nach französisch décoller = ablösen). Hier wird also das Sedimentmaterial von der subduzierenden Platte abgelöst.

Das Abschaben des Sedimentmaterials an der Plattengrenze wird gerne auch mit einem Hobel verglichen. Die abgehobelten Späne entsprechen in dem Analogbeispiel den übereinander gestapelten Sedimentschichten. Der Akkretionskeil wird von unten aufgebaut, er wächst sozusagen von unten an und wird deswegen mitunter auch als Anwachskeil bezeichnet.

Die auf der ozeanischen Kruste abgelagerten Sedimente kollidieren mit der überfahrenden Platte, wenn sie beginnen, in die Subduktionszone abzutauchen. Durch die Kollision geraten sie hier unter einengenden Druck, der schließlich dazu führt, dass sich eine Abscherfläche bildet, an der die Sedimentpakete übereinander geschoben werden (Abb. 5.3.4). Das ist das in Abb. 5.3.3 abgebildete Décollement. Diese Abscherfläche bildet zugleich auch die Plattengrenze zwischen der subduzierenden und der überfahrenden Platte, denn alles, was hier abgeschabt wird, überträgt sich auf die überfahrende Platte und somit auf die andere Seite der Plattengrenze.

Der Vorgang wiederholt sich mehrfach und die zuerst gebildeten tektonischen Schuppen, die man auch als Duplexe bezeichnet, wandern immer weiter nach hinten in den Akkretionskeil hinein, wobei dann die nicht mehr aktive Abscherfläche allmählich immer steiler wird. Die obersten und am weitesten hinten liegenden Duplexe, die man auch als tektonische Decken ansehen kann, sind die zuerst abgeschabten und damit ältesten Strukturen.

Ähnliche Strukturen, wie im Bereich der Frontalüberschiebung können sich auch in tieferen Bereichen des Akkretionskeils entwickeln. Auch dort werden Sedimentpakete von der subduzierenden Platte abgeschabt und auf die überfahrende Platte übertragen. Man spricht hier von der Unterplattung (abgeleitet von der englischen Bezeichnung underplating).

Es ergibt sich dort ein ganz ähnliches Bild (Abb. 5.3.5). Die bei der Unterplattung entstehenden tektonischen Strukturen können ebenfalls als Duplexe ausgebildet sein. Diese Strukturen sind sehr unterschiedlich in ihren Größenordnungen und Ausprägungen und können von wenigen 10er-Metern bis hin zu Kilometergrößen reichen. Das Grundprinzip, dass etwas von unten angefügt wird, ist aber in allen Dimensionen das gleiche.

Beispiel für Duplex-Strukturen im Meterbereich: Auf der Miura-Halbinsel an der Südküste Japans sind ältere tektonische Schuppen eines Akkretionskeils herausgehoben wurden und heute durch Erosion an der Küste aufgeschlossen. Hier kann man die internen Strukturen in einem Akkretionskeil studieren. Die in Abb. 5.4.6 gezeigten Strukturen zeigen dachziegelartig hintereinander angeordnete Duplexe. Man spricht hier von der Imbrikation der tektonischen Schuppen.

In Abb. 3.5.7 ist ein 3D-Blockdiagramm des Nankai-Akkretionskeils dargestellt. Moore et al., (2007) haben die Strukturen in den seismischen Profilen interpretiert. Die blauen Linien sind die Überschiebungsflächen, durch die die einzelnen Duplexe begrenzt werden. Und auch hier kann man die dachziegelartige Imbrikation der tektonischen Schuppen erkennen, nur eben in einer anderen Größenordnung wie hier im Kilometerbereich.

In Abb. 3.5.8 ist ein seismisches Profil aus dem Bereich der frontalen Überschiebungsfront im Nankai-Akkretionskeil dargestellt. Hier kann man die Imbrikation der einzelnen tektonischen Schuppen besonders gut erkennen. An dieser Stelle gelang es 1995 erstmals durch das Décollement hindurch zu bohren. Die Bohrung konnte bis hinunter auf die ozeanische Kruste abgeteuft werden. Sie wurde mit dem Forschungsbohrschiff JOIDES Resolution im Rahmen des damaligen internationalen Forschungsprojektes  Ocean Drilling Program (ODP) durchgeführt. Später wurde das ODP zum IODP, das erst Integrated Ocean Drilling Program hieß und später zum heute noch aktiven International Ocean Discovery Program umbenannt wurde.

In Abb. 3.5.9 ist anhand eines seismischen Profils im Nankai-Akkretionskeil eine Profilbilanzierung durchgeführt worden. dargestellt. Dabei werden die übereinander geschobenen tektonischen Schuppen wieder auseinandergezogen, so als wenn man eine verknautschte Tischdecke wieder gerade zieht. Auf diese Weise kann man errechnen, wie stark die hineintransportierten Sedimentlagen an der Subduktionszone eingeengt, also verkürzt wurden. Für den Nankai-Akkretionskeil ist das ein Betrag von etwa 30% allein in den vorderen 20 km an der Plattengrenze. Diese Verkürzung wird durch die Imbrikation, die tektonische Stapelung, erreicht.

In Abb. 5.3.10 ist die Entwicklung des Nankai Akkretionskeils dargestellt. Man kann hier erkennen, wie sich die Imbrikation immer weiter nach vorne baut und den Akkretionskeil vergrößert. Die jüngsten abgescherten Schuppen sind die äußersten direkt an der Plattengrenze. Hier ist das Décollement noch ziemlich flach. Weiter hinten werden die Abscherflächen deaktiviert und dadurch, dass immer mehr von unten angebaut wird, steiler gestellt. Im hinteren Bereich kann es auch zur Heraushebung älterer tektonischer Schuppen kommen, so, wie es z.B. auf der Halbinsel Miura in Japan (vgl. Abb. 5.3.6) der Fall ist. Zusätzlich kann es zur Entwicklung von sog. Out-of-Sequence-Überschiebungen in den älteren Teilen des Akkretionskeils kommen. Das passiert, wenn der Druck zu groß wird und nicht mehr alles von den Frontalüberschiebungen aufgenommen werden kann.

Unter dem Décollement befindet sich Sedimentmaterial, das im Subduktionskanal in der Subduktionszone in größere Tiefen hinabgezogen wird. Hier zeigt sich, dass nicht das gesamte hineinkommende Sedimentmaterial in den Akkretionskeil übertragen wird, sondern es bleibt immer noch ein mehr oder weniger großer Anteil, der in der Subduktionszone hinuntergezogen wird.

5.3 Entwicklung eines Akkretionskeils

5.4 Aufbau von Akkretionskeilen