miniatur|hochkant=1.66|Stark vereinfachte Darstellung einer konvergenten Plattengrenze mit Subduktion ozeanischer Lithosphäre unter kontinentale Lithosphäre
Subduktion (lat. „unter“ und „führen“) ist ein fundamentaler Prozess der Plattentektonik. Der Begriff bezeichnet das Abtauchen ozeanischer Lithosphäre (Erdkruste und der oberste Teil des Erdmantels) am Rand einer tektonischen Platte in den darunter liegenden Teil des Erdmantels, während dieser Plattenrand gleichzeitig von einer anderen, angrenzenden Lithosphärenplatte überfahren wird. Beim Abtauchen der Platte erfahren deren Krustengesteine eine Metamorphose. Dabei steigt die Dichte des abgetauchten Teils derart an, dass er tief in den Erdmantel absinken kann.
Begriffe und Definitionen Damit Subduktion in diesem Sinne stattfinden kann, müssen sich zwei Platten aufeinander zubewegen. Man nennt ihren Kontaktbereich deshalb eine konvergierende Plattengrenze oder auch, weil dort Lithosphärenmaterial „vernichtet“ wird, eine destruktive Plattengrenze. Die abtauchende Platte heißt Unterplatte, die überfahrende Oberplatte. Der in den Erdmantel abgetauchte Teil der Unterplatte wird Slab genannt, was im Englischen in etwa „Platte“ bedeutet. Der gesamte Bereich der Lithosphäre, der von der Subduktion unmittelbar beeinflusst wird, heißt Subduktionszone. Dort treten besondere tektonische und magmatische Phänomene auf.
Geodynamische Voraussetzungen Subduktion, so wie sie heute stattfindet, erfordert einen festen (aber plastisch verformbaren) und relativ „kalten“ Erdmantel. Deshalb tritt sie wahrscheinlich erst seit dem Mesoarchaikum auf, und nicht bereits seitdem sich im Hadaikum die erste Lithosphäre gebildet hatte.
Für ein Absinken überschobener ozeanischer Lithosphäre in den Erdmantel ist wahrscheinlich eine Umwandlung der basischen ozeanischen Kruste in Eklogit notwendig (siehe Ursachen und Mechanismus der Subduktion und Entwässerung und Metamorphose der abtauchenden Platte). Ein geothermischer Gradient, bei dem sich Lithosphärenmaterial basaltischer Zusammensetzung (in erster Linie ozeanische Kruste) im Mantel in Eklogit umwandeln kann und so Subduktion und damit „echte“ Plattentektonik erst möglich wird, besteht anscheinend kontinuierlich und überall auf der Erde erst seit ca. 3 Milliarden Jahren vor heute (mittleres Mesoarchaikum).Steven B. Shirey, Stephen H. Richardson: Start of the Wilson Cycle at 3 Ga Shown by Diamonds from Subcontinental Mantle. Science. Bd. 333, Nr. 6041, 2011, S. 434–436, doi:10.1126/science.1206275 (alternativer Volltext: UA Geosciences)Bruno Dhuime, Chris J. Hawkesworth, Peter A. Cawood, Craig D. Storey: A Change in the Geodynamics of Continental Growth 3 Billion Years Ago. Science. Bd. 335, Nr. 6074, 2012, S. 1334–1336, doi:10.1126/science.1216066 (alternativer Volltextzugriff: ResearchGate)Katie A. Smart, Sebastian Tappe, Richard A. Stern, Susan J. Webb, Lewis D. Ashwal: Early Archaean tectonics and mantle redox recorded in Witwatersrand diamonds. Nature Geoscience. Bd. 9, Nr. 3, 2016, S. 255–259, doi:10.1038/ngeo2628 (alternativer Volltextzugriff: ResearchGate) Davor war die Temperatur im oberen Mantel zu hoch, sodass die subduzierte Kruste bereits in relativ geringer Tiefe zu stark entwässert wurde. Beim Erreichen der Tiefe, in der ausreichend hoher Druck herrschte, stand dann kein Wasser mehr für den für die Eklogitisierung notwendigen advektiven Ionentransport zur Verfügung, sodass kein Eklogit mehr entstehen konnte.M. G. Bjørnerud, H. Austrheim: Inhibited eclogite formation: The key to the rapid growth of strong and buoyant Archean continental crust. Geology. Bd. 32, Nr. 9, 2004, S. 765–768, doi:10.1130/g20590.1 (alternativer Volltext: UCSC E&P Sciences)
Ursachen und Mechanismus Ozeanische Lithosphäre verweilt, in erdgeschichtlichen Zeiträumen betrachtet, nur relativ kurze Zeit an der Oberfläche des Erdkörpers, weil sie weniger Auftrieb besitzt als kontinentale Lithosphäre und mit zunehmendem Alter auch noch fortwährend an Auftrieb verliert. Gegenwärtig gibt es deshalb keine ozeanische Lithosphäre, die älter ist als etwa 180 Millionen Jahre (Jura), denn älteres Material wurde bereits wieder subduziert. Eine Ausnahme ist das östliche Mittelmeer, das von Resten ozeanischer Lithosphäre der Neotethys unterlegt ist, die laut neueren paläomagnetischen Untersuchungen bis zu 365 Millionen Jahre alt (Oberdevon) sein könnten.Roi Granot: Palaeozoic oceanic crust preserved beneath the eastern Mediterranean. Nature Geoscience. Bd. 9, 2016, S. 701–705, doi:10.1038/ngeo2784 (alternativer Volltextzugriff: ResearchGate) Vorhergehende Modellierungen waren von einem permischen bis triassischen Alter (280 bis 230 Millionen Jahre) ausgegangen.R. Dietmar Müller, Maria Sdrolias, Carmen Gaina, Walter R. Roest: Age, spreading rates, and spreading asymmetry of the world’s ocean crust. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. Bd. 9, Nr. 4, 2008, doi:10.1029/2007GC001743
Die Subduktion erfolgt an den Subduktionszonen, wo sich der Rand einer Lithosphärenplatte in mehr oder weniger steilem Winkel nach unten biegt. An vielen Stellen der Erde wurden solche in den Erdmantel hinunter„hängenden“ Plattenenden (Slabs) mit seismologischen Verfahren nachgewiesen.Douwe G. van der Meer, Douwe J. J. van Hinsbergen, Wim Spakman: Atlas of the underworld: Slab remnants in the mantle, their sinking history, and a new outlook on lower mantle viscosity. Tectonophysics. Bd. 723, 2010, S. 309–448, doi:10.1016/j.tecto.2017.10.004
Durch das Abtauchen erhöht sich die Temperatur und der Druck im Slab, was Gesteinsumwandlungen insbesondere des Krustengesteins auslöst (siehe unten), wodurch dessen Dichte noch weiter ansteigt, statt durch die Erwärmung geringer zu werden. Ozeanische Lithosphäre behält also im Abtauchen eine höhere Dichte als das Material des sublithosphärischen Mantels, aus dem sie einst hervorgegangen ist, und kehrt dadurch nicht unmittelbar in diesen zurück. Vielmehr zieht der Slab selbst in größerer Tiefe den noch an der Oberfläche des Erdkörpers liegenden Teil der Platte gravitativ – durch seine Schwere – nach. Diese Antriebskraft der weiteren Subduktion wird auf Englisch slab pull („Plattenzug“) genannt. Der „Plattenzug“ gilt als ein möglicher Antriebsfaktor der Plattendrift und somit der gesamten Plattentektonik.nature.com In welcher Tiefe und auf welche Weise das Absinken eines Slabs endet und was mit dem Slab danach passiert, ist noch nicht vollständig geklärt. Jedenfalls wurden seismische Anomalien, die man als Signaturen versinkender Slabs deutet, noch nahe der Kern-Mantel-Grenze festgestellt.Michael E. Wysession: Imaging cold rock at the base of the mantle: the sometimes fate of slabs? In: Gray E. Bebout, David W. Scholl, Stephen H. Kirby, John P. Platt (Hrsg.): Subduction Top to Bottom. Geophysical Monograph Series. Bd. 96, 1996, S. 369–384, doi:10.1029/GM096p0369 (alternativer Volltextzugriff: American Geophysical Union).Alexander R. Hutko, Thorne Lay, Edward J. Garnero, Justin Revenaugh: Seismic detection of folded, subducted lithosphere at the core–mantle boundary. Nature. Bd. 441, 2006, S. 333–336, doi:10.1038/nature04757.
Wenn irgendwo Material von der Erdoberfläche verschwindet, muss irgendwo anders neues Material auftauchen, denn der Oberflächeninhalt der Erdkugel ist konstant. Deshalb gibt es neben den Materialsenken der Subduktionszonen auch Materialquellen, vor allem ein ähnlich ausgedehntes, erdumspannendes Netz von Spreizungszonen (siehe auch → Mittelozeanischer Rücken), in denen fortwährend aufdringendes Asthenosphärenmaterial neue ozeanische Lithosphäre bildet. Daneben fördern auch von der Kern-Mantel-Grenze aufsteigende sogenannte Mantelplumes heißes Mantelmaterial bis an die Unterseite der Lithosphäre und bilden dort Hotspots, die eine besondere, von Plattengrenzen unabhängige Form von Vulkanismus auslösen. Subduktion, Plattendrift, Ozeanbodenspreizung und Mantelplumes sind Ausdruck der Mantelkonvektion der Erde.
Beginn, Verlauf und Ende Für die Entstehung einer Subduktionszone werden zwei Mechanismen in Betracht gezogen:Fabio Crameri, Valentina Magni, Mathew Domeier und 11 weitere Autoren: A transdisciplinary and community-driven database to unravel subduction zone initiation. Nature Communications. Bd. 11, 2020, Art.-Nr. =3750, doi:10.1038/s41467-020-17522-9 Vertikal forcierte oder „spontane“ Subduktion. Lithosphäre besteht prinzipiell aus zwei Schichten. Die obere Schicht ist die Erdkruste und die untere ist der lithosphärische Mantel. Die Kruste ozeanischer Lithosphäre hat eine etwas geringere und der lithosphärische Mantel eine etwas höhere Dichte als die unterlagernde Asthenosphäre. Ist sie noch jung und relativ warm, so hat die ozeanische Lithosphäre in der Summe genügend Auftrieb, um auf der dichteren Asthenosphäre zu „schwimmen“ und damit an der Erdoberfläche zu bleiben. Weil sie sich mit steigendem Alter und zunehmender Entfernung von der Spreizungszone abkühlt und deshalb dichter wird und der lithosphärische Mantel durch Anlagerung (Akkretion) von Asthenosphärenmaterial zudem anwächst, schwindet im Laufe von Jahrmillionen ihr Auftrieb, sodass der alte, zu schwer gewordene Teil einer solchen Platte schließlich „spontan“ (d. h. ohne Einwirkung horizontal gerichteter Kräfte) in die Asthenosphäre abzusinken beginnt. Dies geschieht – wahrscheinlich relativ selten – entweder an einem passiven Kontinentalrand oder an einer bereits vorhandenen intra-ozeanischen Bruchzone.Robert J. Stern: Subduction initiation: spontaneous and induced. Earth and Planetary Science Letters. Bd. 226, 2004, S. 275–292, doi:10.1016/j.epsl.2004.08.007 Horizontal forcierte oder „induzierte“ Subduktion. Zwei Plattenränder erfahren jeweils eine gegeneinander gerichtete horizontale Schubkraft, sodass sich ab einem bestimmten Punkt der schwerere der beiden Plattenränder aktiv unter den anderen schiebt und letztlich in die Asthenosphäre abtaucht. Das tektonische Gegeneinanderdrücken der Platten ist angetrieben von Spannungen, die von teilweise sehr weit entfernten Bereichen der Lithosphäre ausgehen können, zum Beispiel von einem umfangreichen Riftsystem.
Einmal in Gang gekommen, wird die Subduktion zunehmend vom gravitativen Zug (slab pull) des bereits versunkenen Plattenteils (slab) angetrieben. Erfolgt die Bildung neuer Lithosphäre an der ozeanischen Spreizungszone der Unterplatte langsamer als die Subduktion, führt dies zur Einengung des entsprechenden Ozeanbeckens (unter „Ozeanbecken“ wird in plattentektonischem Zusammenhang immer ein von ozeanischer Lithosphäre unterlegter Bereich zwischen Kontinentalrändern oder konvergenten Plattenrändern verstanden, was oft nicht dem geographischen Verständnis eines Ozeans entspricht). Solange diese Differenz fortbesteht, nähert sich die Spreizungszone mit ihrem Mittelozeanischen Rücken mehr und mehr der Subduktionszone und wird schließlich selbst auch subduziert. Auf Englisch wird dies als spreading ridge subduction bezeichnet. In einem solchen Fall wird die Subduktion abgebremst und der Rand der Oberplatte wird stärker deformiert als sonst. Lücken im Slab entlang des subduzierten Teils der Spreizungsachse (engl.: slab windows) können derweil den Magmatismus auf der Oberplatte verstärken.J. K. Madsen, D. J. Thorkelson, R. M. Friedman, D. D. Marshall: Cenozoic to Recent plate configurations in the Pacific Basin: Ridge subduction and slab window magmatism in western North America. Geosphere. Bd. 2, Nr. 1, 2006, S. 11–34, doi:10.1130/GES00020.1 (Open Access) Weil der ozeanischen Lithosphäre eines Ozeanbeckens nach vollständiger Subduktion der Spreizungszone kein neues Material mehr hinzugefügt wird, erhöht sich damit die Geschwindigkeit der Einengung.