Thermochronologie an der Insubrischen Linie

Der dynamische Prozess der Gebirgsbildung beinhaltet großskalige Überschiebungs- und Hebungsprozesse mächtiger Gesteinspakete. Dabei wird die Erdkruste entlang von Störungen in einzelne Blöcke zerlegt, die sich sowohl vertikal als auch horizontal gegeneinander bewegen. In den Europäischen Alpen bildet die sogenannte Periadriatische Linie die bedeutendste Störungszone, entlang derer Blöcke unterschiedlichster paläogeographischer Herkunft sowie unterschiedlichster Überprägung unmittelbar aneinandergrenzen. Im vorgeschlagenen Arbeitsgebiet an der Ost-West verlaufenden Insubrischen Linie, einem Kernsegment der Periadriatischen Naht, finden sich im S Gesteine, die vor der Kollision zur Apulischen Platte gehörten, im Norden jedoch Gesteine, die der Eurasischen Platte zugerechnet werden. Letztere gelangte bei der Gebirgsbildung durch Subduktion, d.h. Abtauchen der Platte in große Tiefen, wurde Temperaturen bis ca. 700 C ausgesetzt und bis zur beginnenden Aufschmelzung metamorph überprägt. Südlich der Periadriatischen Linie fand eine nur geringe metamorphe Überprägung statt und die Gesteine erreichten Temperaturen von max. 250 C. Folglich müssen die heute unmittelbar aneinandergrenzenden Blöcke post- metamorph stark unterschiedliche Hebungsgeschichten durchlaufen haben. Primäres Ziel des Projektes ist die detaillierte Untersuchung der langfristigen räumlich-zeitlichen Bewegungsmuster dieser Blöcke beidseits der Insubrischen Linie mit Hilfe einer Kombination etablierter sowie neuer, innovativer Datierungsmethoden. Zum Einsatz kommen zum einen Methoden der sogenannten Niedrigtemperatur-Thermochronologie (Spaltspurdatierungen, (U-Th-Sm)/He-Datierungen an Apatit und Zirkon sowie 4He/3He Analysen an Apatit). Diese Methoden beruhen darauf, dass Gesteine auf ihrem Weg durch die Erdkruste an die Oberfläche abkühlen und in bestimmten Mineralen Informationen zur Abkühlung gespeichert werden: Mit Unterschreiten mineral- und methodenspezifischer Temperaturen werden im Kristall radioaktive Zerfallsspuren oder beim Zerfall neu entstandene Elemente gespeichert. Durch die Verknüpfung von Alter undTemperaturentstehen zeitabhängigeThermometer (Thermochronometer), welche erlauben, die thermische Geschichte des Gesteins während seiner Abkühlung durch die obersten 10 km der Erdkruste aufzuzeichnen. Mittels 4He/3He Analysen an Apatit kann die thermische Geschichte bis nahe an die Erdoberfläche aufgezeichnet werden, was eine Rekonstruktion der Landschaftsgeschichte und der Taleintiefung entlang der Insubrischen Linie erlaubt. Neben vertikalen Bewegungen sind entlang der Periadriatischen Linie aber auch laterale Bewegungen von Bedeutung, deren Ausmaß in der Literatur kontrovers diskutiert wird. Im Zuge solcher Bewegungen kam es entlang der Störungszone lokal zur Ausfällung von Kalzit, dessen Wachstumsalter mit Hilfe einer neuen U- Pb-Datierungsmethode bestimmt werden kann. Im Rahmen der vorgeschlagenen Studie sollen mittels dieser Methode die späten lateralen Bewegungen zum ersten Mal datiert und mit den vertikalen Bewegungen korreliert werden. Die Kombination der unterschiedlichen Datierungssysteme sowie die Modellierung der gewonnenen Daten soll ein umfassendes Bild der Bewegungen entlang der Insubrischen Linie in Zeit und Raum erlauben. Die abgeleiteten Raten für die langfristige Hebung und Abtragung des Gebirges vermitteln darüber hinaus ein verbessertes Verständnis kurzfristiger gesellschaftsrelevanter Prozesse, wie z.B. Bergstürze oder Erdbeben. Das Projekt beinhaltet Kooperationen mit diversen deutschen Universitäten (Göttingen, Frankfurt, Freiburg, Berlin, Tübingen) sowie der Universität Kalifornien in Berkeley (USA).

Das primäre Ziel des Projekts war die Untersuchung der langfristigen räumlich-zeitlichen Bewegungsmuster von Gebirgsblöcken beidseits der Insubrischen Linie im Tessin (Schweiz), einem der bedeutendsten Störungssysteme der Alpen. Das Arbeitsgebiet zeichnet sich dadurch aus, dass die Bereiche nördlich der Störung, im Lepontinischen Dom, in den vergangenen 30 Millionen Jahren deutlich stärker (ca. 15 km) herausgehoben wurden als die südlich gelegenen Südalpen. Das Untersuchungsgebiet repräsentiert damit einen ehemals besonders tektonisch aktiven Abschnitt der Alpen. Diese Dynamik spiegelt sich deutlich im Gelände wider: Einerseits treten beidseits der Störung sehr unterschiedliche Gesteine auf, andererseits dokumentieren Gesteine entlang der Störungszone frühere seismische Aktivität und Bewegungen. Während starker Erdbeben führt die hohe Reibungswärme entlang der Störungsfläche nicht nur zur mechanischen Zerbrechung des Gesteins, sondern auch zur Bildung von Schmelzen, sogenannten Pseudotachylyten. Diese Relikte ehemaliger Erdbeben wurden mithilfe der U-Pb-Methode datiert. Während der Schmelzbildung werden Mineralfragmente des umgebenden Gesteins eingeschlossen. Bei ausreichend hohen Temperaturen kann deren im Kristallgitter enthaltende ursprüngliche Altersinformation teilweise oder vollständig zurückgesetzt werden, so dass die radioaktiven Zerfallsprozesse neu beginnen. Das heißt, die "geologische Uhr" wird gewissermaßen auf Null gestellt. Das umliegende Gestein behält hingegen sein ursprüngliches Alter. Die im Pseudotachylyten eingeschlossenen Minerale liefern daher eine direkte zeitliche Information über starke seismische Aktivität, in unserem Fall vor 30 bis 32 Millionen Jahren. Zur Rekonstruktion des Weges der Gesteine aus großen Tiefen an die Oberfläche wurden außerdem an rund 60 Proben thermochronologische Analysen durchgeführt. Die Proben stammen von Profilen, die senkrecht zur Störungszone verlaufen und einen Höhenunterschied von bis zu 2000 Metern abdecken. Minerale wie Apatit und Zirkon zeigen an, wann mineralspezifische Temperaturen beim Abkühlen unterschritten wurden. So lassen sich Hebung, Erosion und Gebirgsbildung zeitlich einordnen. Für den Lepontinischen Dom ergab sich ein mehrphasiger Abkühlungspfad. Eine Phase sehr rascher Abkühlung vor rund 30 Millionen Jahren spiegelt die auch durch die Pseudotachylyte angezeigte intensive tektonische Aktivität wider. Zusätzlich zeigen die Daten eine bislang unbekannte Phase beschleunigter Abkühlung und Hebung zwischen etwa 17 und 12 Millionen Jahren. Im Gegensatz dazu weist der südalpine Block eine solche junge Abkühlungsphase nur in unmittelbarer Nähe zur Störung auf. Weiter südlich ergeben die Analysen deutlich höhere Alter von bis zu 300 Millionen Jahren. Daraus folgt, dass sich die südalpinen Gesteine vor 30 Millionen Jahren in relativ geringen Tiefen von 2 bis 5 km befanden, während die Gesteine des Lepontinischen Doms Temperaturen bis 700 C und Tiefen von mehr als 20 km ausgesetzt waren.