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Isostasie (griech. isos = gleich, stasis = stand) ist das gravitative Gleichgewicht derLithosphäre. Weiterhin wird der Begriff der „Isostasie“ aber auch allgemein für eine Summe von Theorien verwendet, die erklären, wie es zu Hebungen und Absenkungen von Krustenmaterial kommt. Grundsätzlich liegt hier das archimedische Prinzip zugrunde.

Isostasiemodelle

Veranschaulichung

In einer mit Wasser gefüllten Wanne wird auf jede gedachte horizontale Fläche im Wasser derselbe Druck ausgeübt. Gibt man nun Holzklötze unterschiedlicher Höhe und Dichte in die Wanne, so ragen diese zu unterschiedlichen Teilen aus dem Wasser. Die Höhe, mit welcher die Holzklötze herausragen stellt sich dabei so ein, dass erneut auf jede gedachte horizontale Fläche im Wasser derselbe Druck herrscht. Diesen Zustand bezeichnet man als Isostasie.

Isostasiemodell nach Pratt-Hayford

Veranschaulichung der beschriebenen Isostasiemodelle

John Henry Pratt versuchte zu erklären, warum Lotabweichungen neben Gebirgen kleiner waren, als theoretisch berechnet. Pierre Bouguer stellte dies in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts z.B. am Rande der Anden fest. Anschaulich gesprochen müsste ein Schnurlot am Rande eines großen Gebirges nicht direkt zum Erdmittelpunkt zeigen, sondern (bedingt durch die große Masse und damit die gravitative Anziehung des Gebirges) ein Stück in Richtung des Gebirges abgelenkt werden. Die hier vorausgesagten Werte waren in der Realität geringer. Pratt lieferte eine Erklärung für dieses Phänomen: Er ging davon aus, dass sich Gebirge bei der Hebung ausdehnen. Vergleichbar etwa einem aufgehenden Kuchenteig. Das führt dazu, dass die Dichte kleiner wird, je weiter sich ein Gebirge in die Höhe „ausdehnt“. Weiterhin postulierte er eine so genannte Ausgleichstiefe, unterhalb derer die Dichte konstant ist. Dies führt dazu, dass gedachte Säulen unterschiedlicher Dichte, von der Ausgleichstiefe beginnen, unterschiedlich Hoch herausragen. Dieses Modell beschreibt die Übergänge von passiven Kontinental-Ozean Rändern gut, eignet sich jedoch weniger für Gebirge.

Isostasiemodell nach Airy-Heiskanen

Heiskanen entwickelte das Modell von Airy weiter: Zunächst nimmt man an, dass die Teile der Erdkruste auf dem Erdmantel „schwimmen“. Dabei wird sowohl die Dichte der Erdkruste, als auch die Dichte des Erdmantel als konstant angesehen. Dies führt dazu, dass im Bereich von Gebirgen die Eintauchtiefe des Krustenmaterials tiefer ist als im Bereich flacher Gebiete. Dieses Modell eignet sich für die Beschreibung von Gebirgsregionen.

Isostasiemodell nach Vening Meinesz

Im Grunde basiert die Theorie von Vening Meinesz auf der von Airy. Jedoch wird die „Biegesteifigkeit der Lithosphärenplatte, die die topografische Auflast trägt und somit zu einem regionalen isostatischen Ausgleich beiträgt“ berücksichtigt. Im Gegensatz zu den ersten beiden Theorien (lokaler Ausgleich) geht dieses Modell also von einem regionalen Ausgleich aus. Das bedeutet, dass z.B. Auflasten nicht nur direkt im Bereich der Auflast kompensiert werden, sondern auch vom umgebenden Bereich.

Konsequenzen aus den Modellen

Ozeanische und kontinentale Kruste

Die kontinentale Kruste besteht vorwiegend aus granitischen Gesteinen. Die mittlere Dichte beträgt ungefähr 2,7. Im Durschnitt ist sie etwa 30 km mächtig. Die ozeanische Kruste hingegen besteht hauptsächlich aus basaltischem Material und weist eine mittlere Dichte von 3,1 bei einer durchschnittlichen Mächtigkeit von etwa 6 km auf. Dadurch ergibt sich eine mittlere Höhe: Diese beträgt für die Kontinente knapp 900 Meter, für die Ozeane – 5000 Meter. Zwar ist wie angesprochen die Dichte der kontinentalen Kruste geringer, allerdings führt die größere Mächtigkeit dazu, dass sie tiefer in den Erdmantel eintaucht. Die Dichte des oberen Erdmantels beträgt etwa 3,3, ist also nur geringfügig größer als die der ozeanischen Kruste. Die Eintauchtiefe kann nun berechnet werden: $T_{\rm {k}}={\frac {{\rm {D_{\rm {k}}}}{\rm {S_{\rm {k}}}}}{\rm {S_{\rm {m}}}}}$

Hebung und Senkung

Veranschaulichung

Man stelle sich ein Stück Holz in einer Wanne mit Wasser vor. Schwimmt das Holz im Wasser, so entspricht das dem Zustand der Isostasie. Drückt man nun mit der Hand auf das Holz, so wird dieses absinken, gleichzeitig aber bestrebt sein, aufzutauchen. Hebt man das Holz von unten an, wird es bestrebt sein abzusinken. In beiden Fällen wird das Stück Holz nach dem Ende der Krafteinwirkung zurück in den Zustand der Isostasie gelangen.

Szenarien

Hebung und Senkung tritt immer dann ein, wenn auf die Kruste zusätzliche Auflast einwirkt, bzw. eine vorhandene Auflast abgebaut wird. Dies ist in verschiedenen Szenarien denkbar. In Tiefländern oder an Küsten werden eventuell große Sedimentmassen akkumuliert. Dies kann zu einem Absinken führen. Man spricht dann von einer sedimentationsisostatischen Senkung. Wird ein Gebirge stark abgetragen, so vermindert sich die Auflast. Man spricht von einer denudationsisostatischen Hebung. Große Wassermassen können zu einer hydroisostatischen Absenkung führen. Verschwindet der Wasserkörper, so kommt es zu einer hydroisostatischen Hebung. Durch Aufstauen großer Wasserflächen können solche Bewegungen auch vom Menschen ausgelöst werden. Sehr gut kann man Hebungen und Senkungen am Beispiel von in der letzten Eiszeit vergletscherten Gebieten beobachten. So befand sich über Skandinavien in der letzten Eiszeit (Weichsel) ein großer Eisschild. Das Zentrum lag im Bereich des Bottnischen Meerbusens. Aufgrund der Auflast durch den mächtigen Eisschild wurde die Kruste abgesenkt. Nachdem der Eisschild geschmolzen war, begann sich die Kruste zu heben. Diese Hebung konnte der Geschwindigkeit des abschmelzenden Eises nicht folgen, weshalb sie auch heute noch nicht abgeschlossen ist. Im Bereich des Zentrums kann man heute Hebungsraten von bis zu 9 mm pro Jahr nachweisen. In diesem Fall spricht man von glazialisostatischer Hebung.

Internetlinks

• Gravitation und Isostasie Interaktives Script der Uni Freiburg
• Java Applets zur Veranschaulichung der Isostasie, Uni Freiburg