DIE NATURWISSENSCHAPTEN x 9. J a h r g a n g

23. J a n u a r

I93r

Heft 4

Radioaktivit~it und die thermische Geschichte der Erde. Von

ARTHUR

E s i s t s c h o n l i n g e r als ein h a l b e s J a h r h n n d e r t her, d a b LORD Kt~LVIN die Z e i t z u b e r e c h n e n vers u c h t e , die v e r g a n g e n sein mul3, seit die E r d r i n d e a u s d e m fiiissigen Z u s t a n d e r s t a r r t e . E r n a h m an, d a b die h e u t i g e A b k t i h l u n g s g e s c h w L u d i g k e i t d u t c h den Mittetwert der bekannten Temperaturgradienten gegeben ist nnd dab keine inneren Wirmequelten zmn Ausgleich des iuBeren Wirmev e r l u s t e s z u r V e r f t i g u n g s t e h e n . N a c h KEI,VlN i s t die a l l m i h l i c h e E r s t a r r u n g so v o r sich g e g a n g e n , d a b f r a m e r w i e d e r a n d e r O b e r f l i c h e d i i n n e feste R i n d e n sich b i l d e t e n , z e r b r a c h e n u n d n n t e r s a n k e n , bis die E r d e zu e i n e m p o r 6 s e n f e s t e n K S r p e r w u r d e , d e r Zellen n o c h g e s c h m o l z e n e S u b s t a n z e n t h i l t , die d e m V u l k a n i s m u s z u r V e r f t i g u n g s t e h e n ; die T e m p e r a t u r soll i n Mien T i e f e n dieseibe, u n d z w a r gIeich d e r S c h m e l z t e m p e r a t u r S d e s n r s p r t i n g l i c h e n E r d m a g m a s seth. KELVIN l a n d ftir d e n Temperaturgradienten d O/dx nach einer Zeit t den Ausdruck dO S wo h 2 die T e m p e r a t u r l e i t f i h i g k e i t des Gesteins, x d e n A b s t a n d y o n d e r O b e r f l i c h e u n d 0 die T e m p e r a t u r b e d e u t e n . I41ELVINS w a h r s c h e i n l i c h s t e L 6 s u n g d e u t e t d a r a u f hin, d a b d a s h e u t i g e T e m p e r a t u r g e f M l e (dO/clx)~ = o i n e i n e r Z e i t t y o n u n g e f i h r 4 ° M i l l i o n e n J a h r e n e r r e i c h t w o r d e n ist. Unter Benntzung der folgenden Zahlen dOId:r, = 32 X IO -5 °C/cm S = I4oo ° C h = 0,084 CGS-Einheiten f i n d e r JEFFREYS (13) ~ f i i r t 27 2¢iillionen J a h r e . E r w e i s t a u c h d a r a u f h i n , d a b sich t a u f 33 M i l l i o n e n J a h r e e r h S h t , w e n n m a n d a s A n s t e i g e n des Schmelzpunktes mit dem Druck nach innen beriicksichtigt. N a c h tier E n t d e c k n n g d e s j e t z i g e n L o z D RAYLEIGH (STRIJ'rT, 22), d a b i n a l i e n G e s t e i n e n in weitgehendem Mage Radium vorkommt, konnte m a n die E r d e n i c h t l i n g e r als e i n e n e i n f a c h a b k i i h l e n d e n K 6 r p e r otlne i n n e r e W i r m e q u e l l e n a n sehen. M i t e i n e m S c h l a g e erwies sich die IKELVlNsche M e t h o d e z u r A b s c h ~ t z u n g des E r d a l t e r s als i n d e r G r u n d l a g e v e r f e h l t . M a n sah, daB, w e n n die E r d e sich ~ i b e r h a u p t a b g e k t i h l t h a t , dies s e h r v i m l a n g s a m e r g e s c h e h e n sein m u B t e , Ms KXLVlN es i I wish t o express m y cordial t h a n k s to F r i u lein Dr. v. SIMSON for t h e care a n d troubte she has taken in preparing a t r a n s l a t i o n of m y paper from the' English manuscript. z Die eingeklammerten Zahlen beziehen sich auf das beigeffigte Literaturverzeichnis. Nw. 1931

HOLMES,

Durham

i.

ftir m S g l i c h e r a c h t e t h a t t e , u n d d a b die E r d e d a h e r a u B e r o r d e n t l i c h v i m ~lter als 4o M i l l i o n e n J a h r e sein m u g . Die y o n d e n r a d i o a k t i v e n E l e m e n t e n i n Gesteinen entwickelte Wirmemenge hingt nicht nur yon der Uran- und Thorfamilie, sondern auch vorn I~2alium ab. D i e y o n d i e s e m E l e m e n t gelieferte W i r m e (12) i s t geoIogisch wegen d e r groBen M e n g e n des i n d e n G e s t e i n e n v o r k o m m e n d e n K a l i u m s f a s t e b e n s o w i c h t i g wie die des U r a n s u n d T h o r i u m s . Die g e o t h e r m i s c h e n W i r k u n g e n des (ebenfalls r a d i o a k t i v e n ) R u b i d i u m s s i n d y o n so g e r i n g e r GrSl3enordnung, d a b w i r sie v e r n a c h l i s s i g e n k 6 n n e n . Die g e s a m t e j i h r l i c h e W i r m e e n t w i c k l u n g betrigt: I~ir die Uranfamitie 79oo • IO -4 cal/g U f~r die Thoriumfamilie 23o0- to -~ cal/g T h ffir das JKalinm 2,38 • io -4 cal/g K. I n d e r f o l g e n d e n T a b e l l e s i n d die d u r c h schnittlichen GehMte an radioaktiven Elementen in gew6hnlichen Gesteinsarten zusammengestellt; aus diesen Z a h l e n u n d d e n o b e n g e g e b e n e n W ~ r m e b e t r ~ g e n i s t die g e s a m t e j i h r l i c h e W ~ r m e e n t w i c k l u n g in einigen d u r c h s c h n i t t l i c h e n G e s t e i n s t y p e n berechnet. Tabelle I. d~hrlich in Geeteinen entwiekelte Wiirme.

Granit . . . . . Granodiorit... Diorit . . . . . Zentralbasalte Kontinentale Ozeanische . Deckenbasalte Gabbro . . . . Eklogit . . . . Peridotit . . . . Dunit ..... Meteorite Stein- . . . Stein-EisenEisen- . . .

Zo~ Th x ~o'

X

Gesteinsart

xUIo~

7,7 4,0

2o,o I8,o 6,0

3,4 2,5 1,7

15,9 13,3 6,7

42,2 36,4 19,o

3,5

9,I

3,6

7,I

2,2

5,0

2,4

5,I

r,9 1,8 0,8 0,7 o,4 o,8 0,o 3

7,2 6, 7 3,9 3,9 1,7 2,9 1,9

20,9 I9,5 I1,4 I1,7 5,8 9,4 6,6

1,8

5,8

9,o

. .

. . .

Ges~le W~rmeentwicklung in cal pro Jahr I pro Io~g ! pro xo~cm3

I,O

I~8

1,5 1,4

3,3 3,4

1,7

0,9 1o, I6

I.O O~O7

0,06

--

-

-

Wir miissen uns etzt noeh versichern, da0 a u c h w i r k l i c h alle a u s d e n r a d i o a k t i v e n E l e m e n t e n fret w e r d e n d e E n e r g i e als W i r m e e r s c h e i n t . M a n h a t n i m l i c h g e m e i n t , d a b ein b e t r ~ c h t l i c h e r Tell d e r Energie dadurch verbraucht werden kSnnte, dab er i n d e n u m g e b e n d e n M i n e r M i e n p h y s i k M i s c h e u n d c h e m i s c h e ~ n d e r u n g e n h e r v o r r u f t . W i r e dies i Dies ist eine einzelne Bestimmung yon JoLY, die m6glicherweise nicht typisch ist.

74

HOLMES: Radioaktivit~it und die thermische Geschichte der Erde.

der Fall, so miil3te die yon Radium in einem Glasgef~B entwickelte und experimentell gemessene W~irmemenge wesentlich kleiner sein als die aus den Energien der a-, #- und y-Strahlen bereehnete; denn das Glas wird intensiv gefiirbt. I n Wirklichkeit stimmen die beiden Ergebnisse mit bemerkenswerter Genauigkeit fiberein, wie LAWSON gezeigt hat, der damit den Beweis lieferte, dab praktisch alle Energie als W~rme erscheint (18). Wichtig ist auch noch die Kenntnis, ob irgendeine Anderung der Zerfallsgeschwindigkeit und W~irmeentwicklung eintreten kann, wenn die radioaktiven Elemente tier in der l~rde begraben sind. Temperaturen yon der der fltissigen Luft bis zu 2500 ° C haben keinerlei EinfluB. Sehr hohe Drucke und kr~iitige Magnetfelder verm6gen nicht, die Geschwindigkeiten zu ver~ndern. Sei es in L6sung oder in chemischer Bindung, sei es unter Bestrahlung mit R6ntgen-, ~-, fl- oder 7-Strahlen: die Zersetzung bleibt davon v611ig unberiihrt. Die moderne Quantentheorie lehrt, dab keine Temperatur und kein Druck im Erdinnern auch n u r im geringsten das Innere der Atomkerne zu beeinfhssen vermag. Daraus folgt, dab eine Vernachl~ssigung dieses ununterbrochenen Energiestroms aus der gesamten Lithosphere ebenso falsch w~ire, wie wenn man den EinfiuB der Schwerkraft nicht berficksiehtigen wottte. Der mittlere W~irmebetrag, der durch Leitung zur OberfEiche und durch Ausstrahlung in den R a u m sekundlich yon jedem Quadratzentimeter der kontinentalen Oberft~iche abgegeben wird, ist durch Ic • d O/d x gegeben, wo die W~irmeleitf~ihigkeit /¢ = 0,006 und d O / d x = o,ooo32~C/cm ist. Da das Jahr 3,i5 × i o ~ Sekunden hat, betr~igt der j~hrliche W~irmevertust 6o cal/cm ~. Dies IieBe sich kompensieren durch die radiothermische Energie einer Schichtdicke yon t 4 km Granit, I6, 5 k m Granodiorit, 52 k m Deckenbasatt oder Gabbro oder 60 k m Peridotit. Man k a n n daher annehmen, dab der irdische Vorrat an radioaktiven Elementen nach der OberfI~che b i n stark angereichert ist, was sich auf Grund der beobachteten Verteilung als richiig erweist (8, I915, S. 62). Von JEF~REYS (~5) kritisch gut durchgearbeitete moderne seismische Beobachtungen zeigen, dab in den Kontinentalgebieten nach u n t e n folgende Schichtung besteht: a) eine oberste Schicht aus Granit, Granodiorit, Gneisen nsw., in einer M~chtigkeit yon ~ km oder mehr; b) eine mittlere Schicht yon wahrscheinlich basalfischer Zusammensetzung, und zwar in der Hauptsache aus Amphibolit bestehend (vgl. WAGNER, 22), deren Dicke ungef~ihr 2o--25 km betr~igt; nnd c) eine unterste oder subkrustate Sehieht, die sich bis zum metallischen Kern in eine Tiefe von 29oo km erstreckt und wahrscheinlich wie die Steinmeteorite peridotitischer Zusammensetzung ist.

[ Die Natur-

[wissenschaften

Am Boden des Pazifischen Ozeans fehlt (a) auger an den R/indern und auch im Indischen und Atlantischen Ozean ist es nut in gewissen Grenzen vorhanden. Der Boden der Ozeane scheint in der Hauptsache basaltischer Zusammensetzung zu sein (7), und zwar im Zustand des Gabbro, der nach unten in Amphibolit /ibergeht. Er besteht im wesentlichen aus demselben Material wie (b). Darunter ist die subkrustale Schicht (c) identisch mit der der Kontinente. So bringt die Gesteinsverteilung in den ~iuBeren Erdschichten eine Abnahme der Radioaktivit~it mit der Tiefe mit sich. Trotzdem scheint es dem mitgeteilten Zahlenmaterial zufolge sicher, daI3 eine ~iuBere, weniger als 60 krn m~ichtige Erdkruste genfigend W~irme hervorbringt, um den Verlust an der Oberfl/iche auszugleichen. Was geschieht mit der in gr613erer Tiefe entwickelten W~irme? Wir haben keinen Grund anzunehmen, dab die unterste Schicht absolut frei yon Uran, Thor und Kalium ist; im Gegenteil: alle Erfahrungen der Geochemie widerspreehen einer solchen Annahme durchaus. Aus diesem Grunde kann man unm6glieh glauben, dab sieh die ]Erde der alten Theorie entsprechend abkfihlen kann. Man kann fast mit Sicherheit sagen, dab in der Erde ein ~IberschuI3 an W~irme entwiekelt wird, ein l~IberschuG, der auf irgendeine Weise durch den Boden der Ozeane und durch plutonische T~itigkeit auf den Kontinenten abgegeben werden muB. Denn sonst miiBten wir annehmen, dab die Erde heiBer wird, ein v611ig u n a n n e h m b a r e r Gedanke. Zun~chst wollen wir die iibliche Theorie der stetigen Abkiihlung durch Leitung betrachten, die n u r durch das Auftreten einer derart beschr~Lnkten Radioaktivit~t modifiziert wird, dab keinerlei W~rmefiberschuB entsteht. I m Jahre 1915 habe ich das Problem der thermischen Geschichte aufs neue in Angfiff genommen : ich n a h m einerseits an, dab sich die Erde in der yon KELVIN beschriebenen \¥eise abgekfihlt hat, and andererseits, dab die radioaktive T~itigkeit nach einem Exponentialgesetz abMingt (8). Die L6sung der Frage nach der senkrechten Temperaturverteilung ist d a n n dutch den Ausdruck dx = h]/~t \ gegeben, wo A die radioaktive W~rmeentwicklung y o n I c e m Gestein je Sekunde, a die A b n a h m e der W~rmeentwicklung pro Zentimeter, (die W~rmeentwicklung pro Volumeneinheit in der beliebigen Tiefe x betr~gt A e - ~ ) und m das ursprfingliche Temperaturgefalle infolge des Steigens yon S mit dem Druck bedenten. N i m m t m a n n u n an, dab t a u s der Untersuchung radioaktiver Mineralien b e k a n n t ist (ungef~hr I6oo Millionen Jahre), so l~Bt sich die Gleichung nach a 16sen, womit die senkrechte Ver-

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HOLMES: Radioaktivit~t und die thermlsche Geschichte der Erde.

teilung der Radioakfivit~it erraittelt ist. I)araus lassen sich d a n a die gegenw~rtigen Temperaturen in verschiedenen Tiefen berechnen. Ich selbst (8, 1925, S. 5o6), ADAMS (I) und JEI~FREYS (15, S. I54) haben Kurven ver6ffentlicht, die solche Ergebaisse darstellen. Die Folgen derartiger A n n a h m e n sind in groi]er Ausffihrlichkeit yon JEFFREYS untersucht worden, dessen neueste Ansiehten m a n a m einfachsten in der zweiten Auflage seines Buches ,, The Earth" (15) nachliest. I m Jahre 1925 habe ich jedoch diese I-Iypothese endgfiltig verlassen, well es rnir unm6glich schien, ihre Folgen mit den Tatsachen der geologischen Geschichte in Einklang zu bringen (8). Die aus diesel-Hypothese abgeleitete radioaktive Verteilung mit derTiefe entspficht einer I I km dicken Granitsehicht, u n t e r d e r sich basalfischesMaterial in einer M~chtigkeit yon 22 km befindet. Dana bleibt abet keine merkliche radioaktive T~itigkeit ffir das gesamte fibrige Erdinnere verffigbar. Die Temperaturea der ,,basaltischen" Schicht erstrecken sichvon 350 ° C obea bis zu 67 ° ° C an der unterea Grenze; sie sind viel zu niedrig, u m den Yulkanismus des Deckenbasalttyps zu verursachen. Soll aber andererseits das basaltische Magma aus gr613eren Tiefen kommen, so ist wiederum die dadurch bedingte Verbreitung der iRadioaktivit~t gr6Ber, als die Abkfihlungshypothese zul~ii3t. Zur Erkl~rung der Gebirgsbildung ~ndert JEFFREYS die alte *hermische Kontraktionshypothese ab. Diese neue Hypothese ist aber, wie ich gezeigt habe, in keiner Weise imstande, quantitativ eine derartige Verminderung der Erdoberfl~iche verst~indlich zu machen, wie sie zur Auffaltung yon Gebirgszfigen, die etwa das System Alpen-Himalaya aufweist, notwendig w~re. Die berechnete Verkleinerung in den letzten 2oo Millionen Jahren betrltgt nur ein Sechstel des zu erkl~Lrenden Betrages (9). Die zeitliche Verteilung der orogenetischen Perioden, die sich durch das ]31eiverh~iltnis radioaktiver Mineralien naehprfifen l~il3t, zeigt, daI3 die Zwisehenr~ume zwisehen aufeinanderfolgenden Umw~Izungen gewil3 nicht systematisch l~nger geworden sind, wie diese Hypothese es verlangt. Die Abst~nde sind die folgenden: 0rogenese

Laramiden-Mpine. . . . . . .

Bleiverh~ltnis

Differenz

o,oo5--o,oo9 0,028

Hercynisch-aploalachische . . . o~o3--o,o 4 0,020

I(aledonische ........

e~wa 0,055 0,030

Obere pz~kambrische . . . . .

0,08 --o,o9

Postkalevische . . . . . . .

o, 125 -- o, 135

Postbothnische . . . . . . .

o,i 5 --o,16

0,045 0,025

~berdies sollte es w~ihrend des Pdikambriums zw61i Perioden der Orogenese gegebea haben, die an Intensit~it der des Terriers gleichwertig sein sollten (wenn wit diese unserer Annahme zuliebe auf Kontraktion zuriickffihren). I n Wirktichkeit

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h a t es viel weniger gegeben. Die Hypothese kann auch nicht Faltungsfiberschiebungensolcher Amplitude, wie die Alpen sie auiweisen, erkl~ren, auch nicht die Entwicklung yon Geosynklinalen (9) und solchen Konfinental- oder Krustenverschiebungen, wie m a n sie a n n e h m e n mul3, um die seit dem Karbon eingetretene Umkehr der Klimaverteilung zu erkl~ren (II a n d 2o). Offenbar ist die A n n a h m e einer Beschr~nkung der irdischen lZadioaktivit~t auf eiaen solchen Betrag, dab die Abkfihlung der Erde nicht verhindert wird, geologisch u n a n n e h m b a r . Sie ist auch geochemisch gezwungea. Wir wollen uns daher jetzt dea M6gtichkeiten zuwenden, die sich ergeben, wenn die irdische Radioaktivit~t nicht derartig annatfirlich begrenzt wird. Die bekannte JoLYsche Theorie der thermischen Cyclen grfiadet sich auf die Anaahme einer abwechselndea Anh~ufung und E n t l a d u n g des W~rmefiberschusses, der im subkrustalen Material entwickelt wird (16). W~rmeanhgufung ffihrt zum Schmelzen dieses als basaltisch angesehenen Materials, woraus Ausdehnung der t~ruste und d a m i t vulkanische T~itigkeit u n d ozeanisehe $Jberflutungen logisch folgea. D a n n zieht allm~hlich westliche Gezeitendrift der Kruste die Ozeanb6dea fiber das Magma und durch ihr Dfinnerwerden wird E n t l a d u n g der W~irme m6glich. Damit t r i t t wieder fortschrei1"ende Verfestigung dutch Kristallisafioa a n d Absinken yon B16eken ein; hierdurch ~ird die Kruste zasammengedrfick* uad das Meet t r i t t zurfick (24). JEFFREYS hat die JoLYsche Hypothese aus den folgenden Grfinden aufs lebhafteste angegriifen: a) well dieser Wechsel yon fifissigem und kristallinero Zustand nicht eintretea k6nne, dagegen unter den angenommenen Bedingungen die subkrustale Schicht notwendigerweise immer fifissig bleibea wfirde und b) well die Gezeitendrift der IZruste fiber das Magma hin in dem MaBe, wie die Hypothese es erfordert, nicht m6glieh set (I4). LOTZE hat die ~OLYsche Hypothese und auch die yon mir vorgeschlagenen Ab~nderungen (8, S. 537) aus dem Grunde angegfiffen, well sie m i t dem verwickelten Lauf der Erdgeschichte nicht in Einklang zu bringen seiea (I9). Wir haben gewil3 keinen Beweis ffir Kompressionen fiber die ganze Welt, die regelm~iJ3ig (oder irgendwie anders) mit einer fiber die ganze Welt erstreckten D e h n u n g abwechseln. Die Hypoihese k a n n auch nicht erkI~ren, warum Laurasien u n d Gondwanaland seit dem Ende des Palaeozoikums nach aul3en nach dem Tethysmeer und dem Pazifischen Ozean zu treiben. Obgleich dieser y o n ] 0 L Y ausgedachte Mechanismus, den WiirmefibersehuB loszuwerden, deutlich unbefriedigend ist, so hat JoLY doch die Lage unbeirrt ins Auge gefal3t und erkannt, dal3 irgendeine Art yon Krustendrift absolut notwendig ist, um die E n t l a d u n g einer derartigen W~rmemenge zu gestatten, JEFFR~YS h a t fiberzeugend nach-

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HonkiES: Radioaktivit~t und die thermische Geschichte der Erde.

gewiesen (i5, S. 145~146 ), daB, wenn die zugegebenermal3en in .der Kruste vorhandenen begrenzten Mengen yon Radiumelementen gleichfSrmig in der Kruste und im Substratum verteilt w~ren, die Gesteine unterhalb einer Tiefc yon einigen 5° km niemals test geworden sein k6nnten. Es wtirde dann so lange Konvektion in der subkrustalen Schicht eintreten, bis die Radiumelemente dutch wiederholte plutonische T~itigkeit stark nach augen angereichert w~iren. Diese Bef6rderung der Radiumelemente wfirde erst dann aufh6ren, wenn der Temperaturgradient in allen Tiefen so klein geworden w~ire, dab es zur Verfestigung kommen kann. Dies bedingt, dab die. Anreicherung an der Oberfl~iche schlieBlich fast vollst~indig sein wird. Ich kann keinen Grund fiir die Annahme sehen, dab diese Reinigung der subkrustalen Schicht yon Radiumelementen schon j e t z t vollst~ndig sein soll. Kein bekannter Vorgang magmatischer Differentiation k6nnte sie auch nur m6glicherweise m i t sich bringen. Die bekannte Radioaktivit~t der Basalte und Peridotite zeigt, dab die subkrustale Sehicht selbst noch radioaktiv sein muB, denn nur aus ihr kann die zur basischen vulkanischen T/itigkeit notwendige W~irme e n t n o m m e n werden. Urn uns die Wirkungen klarzumachen, die durch den in der subkrustalen Sehicht hervorgebrachten W~rmefiberschuB entstehen k6nnen, wollen wit annehmen, dab die W~irmeentwicklung dieser Sehieht nicht gr6Ber ist als I/~00 der des Deckenbasalts. Dies dfirfte unter allen Umst~inden eine Untersch~itzung sein. Das Volumen der subkrustalen Schicht zwischen 6o nnd 29oo km ist 88,75 × IO10 km 3 und die j~hrlich m i t der angenommenen Zahl entwickelte W~rme betfiigt 142, 5 × ioX~ cal. Dies entspricht der j~hrlichen Abk~hlung yon 62 km 8 basaltischen Magmas yon IOOO° C zu kristallinischem Gestein yon 3o0 o C. Offenbar kann diese W~rme n u t durch ein viel durchschlagenderes Mittel abgegeben werden, Ms es die gew6hntiche vulkanische T~tigkeit darstellt. Das Volumen des Lavafiusses aus dem Vesuv v o m Jahre 1929 betrug nur o,o12 km a. D a m i t die yon 20o Millionen Jahren aufgespeicherte W~irme im Gebiete der Ozeane entweichen kann, mfiBte ein Drittel der gesamten OzeanbSden (6o km dick angenommen) untersinken, auf i ooo ° C erhitzt und dutch Magma ersetzt werden, das sich auf eine m i t t l e r e T e m p e r a t u r yon 3 o o ° C abkfihlt und dabei zu kristallinischem Gestein wird. Der einzige bekannte Vorgang, der solche Folgen in dem n6tigen AusmaB mit sich bringt, ist die Kontinentalverschiebung, denn sie bedingt die Bildung neuen Meeresbodens hinter den fortschreitenden Kontinenten und das Absinken alten Ozeanbodens vor ihnen. Wir k6nnen daher schlieBen, dab a) wenn die ~uBersten 6o km der Erde den oberfl~ichliehen W~irmeverlust ersetzen und b) wenn die darunter liegende Schicht n u t 1/700 der spezifischen W~rmeentwicklung des Deckenbasalts hat, so

wDie Naturissenschaften

c) kann die subkrustate Schicht bisher dutch Abkfihlung noch nicht kristallisiert sein, sondern muB sich noch im Zustand konvektiver Zirkulation befinden und d) so ist zur Vermeidung yon best/tndigem HeiBerwerden des h m e r e n irgendein Vorgang wie etwa die I~ontinentalverschiebung geologisch notwendig. BULL (4) erkannfe I921 , dab m6glicherweise unter den Kontinenten durch radioaktive Heizung Konvektionsstr6me in Bewegung gesetzt werden k6nnten, wenn er auch meinte, dab zur Stfitzung dieser Annahme k a u m Beweise zu finden seien. AMPFERER, ANDa£E und SCHWINNER haben zur Erkl~Lrung yon t~rustenbewegungen Unterstr6mungen postuliert, aber zu diesen Vorschl~gen bemerkt BORN (3, S. 125) : ,,Diesen Unterstr6mungshypothesen hatter der Mangel an, dab sie einerseits eine relativ groBe Beweglichkeit der subkrustalen Materie fordern, andererseits die Energie zur Aus16sung solcher Bewegungen bisher schwer haben verst~ndlich machen k6nnen." An dieser Stelle besteht jedoch keinerlei Schwierigkeit, denn eine ausreichende Energiequelle finder man in den radioaktiven Elementen. Auch KRAUS h a t vor kurzem die Annahme magmatischer Str6mungen zur ErklArung der E n t w i c k l u n g v o n Geosynklinalen, Gebirgsgfirteln und Kontinenten ffir notwendig erachtet (17). Man muB beachten, dab seismische Beobachtungen nicht -- wie gew6hntich angenommen wird -- beweisen, dab die subkrustale Schicht kristallin ist, sondern nur sehr starr. Sie ist auch auBerordenttich z~h und daher im mechanischen Sinne ein ,,fester K6rper" wie Glas. Trotzdem kann sie im Sinne mangelnder Festigkeit und kristalliner Struktur eine ,,Flfissigkeit" darstellen. Mangel an Formfestigkeit wird durch das Vorhandensein der Isostasie angedeutet. AuBerdem weist auch die s/ikulare ~ d e r u n g des Erdmagnetismus auf eine betrfi.chtliche Beweglichkeit der subkrustaten Schicht hin (5). Die einzige Theorie, die das Bestehen des Erdmagnetismus erkl~irt und nicht dutch andere Beobachtungstatsachen widerlegt wird, verlangt die Zirkulafion des Erdinnern in einem System yon StrSmungen, das grob symmetrisch zur Achse und zum magnetischen Jkquator liegt. JXFFREYS h a t gezeigt, dab die Z~ihigkeit der subkrustalen Schicht -- so groB sie auch sein mag -I~onvektion nicht zu .hindern vermag (15). U m Konvektion in einer Schicht aufzuhalten, die fast 29oo km m~chtig ist, miiBte die Z~higkeit ungef~hr IO~6 betragen. Die wirkliche Z~ihigkeit ist sicherlich kleiner als das. Die Zeit T, die vergangen ist, seit die europ~ischen nnd nordamerikanischen Eisdecken der letzten Eiszeit angefangen haben, sich zuriickzuziehen, betr~igt etwa 2oooo Jahre oder 6 × IO 11 Sekunden. Wichtige Aufw~rtsbewegungen, die auf die Entlastung infolge des Eisrtickganges zuriickgefiihrt werden, sind in Gebieten yon linearen AusmaBen der

H e f t 4. ] ~3- L X9313

HOLMES: Radioaktivit~t und die thermische Geschichte der ]Erde,

GrSgenordnung L = Iooo km oder Io s cm aufgetreten. Die Dicke H der bei der isostatischen Einstellung beteiligten subkrustalen Sehicht liegt gewiB zwisehen 3 ° und 3000 km (3 X xo~ und 3 X ~os cm). Die ]3eziehung zwischen diesen Gr6Ben und der Z~tfigkeit V der subkrustalen Schicht ist gegeben durch

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lagert mnB es ferner subkontinentale SLr6mungssysteme geben, die durch die relativ gr6Bere ]Radioaktivit~kt der kontinentalen Gesteine gegenfiber den ozeanischen hervorgerufen werden. Man kann erwarten, dab diese Zirkulation im allgemeinen

v L ~ = ~ H~ 2', -¢¢obei g ann~ihernd xooo ist. Mit ~nsern Zahlen finden wir, dab V zwischen 5 × IO~ und 5 × IO~ liege, welt unter dem Grenzweft. Nachdem wir zu der Oberzeugung gekommen .sind, dab keL~ Grund gegen die Annahme des nichtkristatlinen Zustandes der subkrustalen S c h i e h t vorliegt, k6nnen wir nun zur Betrachtung tier Zirkulationsform fibergehen. Insoweit die Konvektionssysteme aus allgemeinen Prinzipien a b l e i t b a r sind, hangen sie ab: a) yon der veranderlichen Dicke der subkrustalen Schicht v o m J~quator nach den Polen lain ; b) yon der veranderlichen Dicke der KrustenFig. i. Planetarische Zirkulation des subkr~stalen decke, yon der kontinentalen oder ozeanlschen Materi~ls unter Yernachl~ssigung der Einflfisse, die yon Beschaffenheit des Krustenmaterials, yon dessert der Yerteilung der Kontinente trod Ozeane herriihren. R a d i o a k t i v i t a t und c) yon der E r d r o t a t i o n ; diese Ursache ,~ __N a fl wird aber nur sehr geringe Ablenkungen ver- . . . . . . . . . . . . . . "~"7"~::7 ~arsachen, weil die Z~higkeit so groB ist. ~ " - ~ . - . ~ .... Innerhalb der Erde n i m m t die Abplat±ung aufeinander folgender Schalen zunehm e n d e r D i c h t e m i t d e r T i e f e a b . D a h e r i s t d i e Fig. 2. Wirkungen der subkontinen±alen Zirkulation der sub~iquatofiale M~chtigkeit der subkrustalen krustalen Schicht. Die Sialschicht ist schwarz gezeichnet, der Boden der Kruste durch gestrichelte Linien angedeute±. Bei ~:, S c h i c h t grSBer, als sieesunter den Polen ist, dem Gebiet der ozeanischen Tiefen, ist Eklogit durch Kreuze u n d deswegen w i r d d e r T e m p e r a t u r g r a d i e n t wiedergegeben. Aufsteigende Str6mungen in A A lassen oben tier subkrustalen Schicht in ~quatorialen et- Ozeane entstehen, oft mit einer Sialerhebung in dem toten was steiler als in polaren Gebieten sein. So Raum zwischen den auseinanderbiegenden Str6mungen. G = Geok a n n man ein Zirkulationssystem einffihren, synklinale, die dutch Oberffihrung der unteren IZrustentefle gegen wie Fig. I es zeigt, ~hnlich dem unserer • entsteht. B = Randgebiet oder Inselkette. M ------Faltengeplanetarisehen Windzirkulation. Wenn die birgssystem an der Stelle einer aufgefi~llten Geosynklinale wie G. S = Randgebiet, das durch heil3e Str6mungen yon M her unter.~quatorialenaufsteigendenStr6mesichdem gesunken ist. R = Umkehr der StrSmm~gen, die als Folge der ICrustenboden nAhern, teilen sie sich, um Entwicklung yon M einsetzt. sich zur H~lfte nordw~rts, zur H~lfte stidw~rts zu wenden. Wegen dieses so auf ihren unteren starker ist als die planetarische. ]~s sollten also Tell ausgefibten starken Zuges wird die Kruste m i t unter einem Teil des I~onfinents, der eine stgrkere .den Str6men schwimmen, abet langsamer, so dab Wi~rmeentwicklung als die umgebenden Get)iete jede Schicht sich weniger schnell als die zun~chst aufweist, Str6me aufsteigen. Wenn diese Str6me unter ihr liegellde bewegt. Die oberen Schichten sich dem Boden der kristallinen Kruste n~khern, werdennaehgeben, indem siesiehspalten und auffalbiegen sie um a n d fiben einen kr~ftigen Zug in ±en, wie bei einem Gletscher. So wird schliel31ich die radial auseinanderstrebenden Pdchtungen aus. X¥irkung auf Kontinentalbl6cke, die sich ursprfingDie entsprechenden abw~rts gerichteten Str6me lich nahe dem Jkquator befinden, die sein, dab sie werden am stXrksten unter den I~onfinentalauseinandergezogen werden und l~ngs des Aquar~ndern werden. Die Stellen aufsteigender Str6me ±ors eine vertiefte Geosynklinale oder einen Ozeanwerden zu eineln ausgedehnten Gebiet werden, zu gfirtel zurficklassen. Die lange Geschichte des die einer Geosynklinale oder einem Ozeanbecken. halbe Erde zwischen Laurasien und Gondwanaland Dabei wird eine groBe W~rmemenge durch das umgfirtenden Tethys ist ein deutlicher Hinweis auf Wachsen der neuen Ozeanb6den verbraucht werden die VVirkung einer derartigen Kraft. B e t r a c h t e t (A in Fig. 2). m a n nur die Kr~fte der Pot]lucht, so bleibt die \ ¥ o die Str6me absinken und auf andere :Entstehung der Tethys unerkl~rlich. Str6me yon dem davor liegenden Ozeanboden Dieser allgemeinen planetarenZirkulation fibertreffen, wird die amphibolitische Schicht unter

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HOLMES: Radioaktivit~it und die thermische Geschichte der Erde.

starken Druck gerateu. Dadurch wird sie olfenbar in EMogit, die hohem Druck nnd holler Temperatur entsprechende Form. umgewandelt (6). Die Dichteguderung vo~ 2,9 oder 3,0 auf 3,4 oder mehr, verbunden mi£ der gleichzeitigen Isostasiewirkung wird zu einer deutlichen Senknng ffihren und ozeanische Tiefen entstehen lassen -- genau an den Stellen, wo wir sie linden (E, Fig. 2). Wir haben jetzt einen Weg, Kontinentalverschiebungen ,,in Gang zu setzen". Der schwere Eklogit wird das Bestreben haben, in der subkrustalen Schicht uuterzusinken, was noch dutch Losarbeiten yon u n t e u her (stoping) dutch bier unvermeidlich auftretende Magmazungen erleichtere wird. So k a n n sich jeder Tell des Kontinentalblocks vorw£rts bewegen, teils wegen des Zerbrechens und Untersinkens der Eklogitzone und tells dadurch, dab er sich auf Gleitebenen Iortschiebt, die dutch magmatische Einschlfisse sozusagen geschmiert sind. 13eweise fiir sotches Untersinken scheinen durch das Auftreten fiefer Erdst6Be (IOO k m fief oder mehr) vor der japanischen Kfiste angedeutet zu sein. Da der Wgrmetransport lgngs irgendeiner Linie vom I n n e r n zum R a n d eines Kontinentes nach anBen hin zunimmt, werden die Str6me den Boden der Kruste zerst6ren und i n den oberen Schichten wird Gestein yon den StrSmen mitgenommen werden. %¥o Material entfernt u n d nach auBen getragen wurde, wird sein Platz durch schweres MateriM der subkrustaIen Schicht ersetzt werden und, der Isostasie folgend, wird das Gebiet darfiber sich senken. Dies sind die Bedingungen, unter denen eine Geosynklinale w~ichst (9); und mit fortschreitender Sedimentation wird sich ihre Entwickhing fortsetzen (G, Fig. 2). Davor wird ein gebirgiges Randgebiet oder ein Inselbogen dort sein (B, Fig. 2), wo die obere Schicht auf V¢iderstand st6Bt und sich nach der EkIogitzone bin verdickt. Beispiele ffir solche inneren Geosynklinalen linden sich fiberall lgngs der pazifischen Kfiste AMens vom Behringsmeer bis zur javanisehen See. I n gr6Berem MaBstabe liefern die Korallen- und die tasmanische See im groBen australasiatischen Bogen ein anderes Beispiel, und der Golf yon Mexiko stellt wahrscheinlich die l~berbleibsel einer ~hnlichen Erscheinung in Nordamerika dar. Das grSBte Beispiel u n t e r allen war abet die langlebige Kordflleren-Geosynklinale des westlichen Nordamerika. I n einem spgteren Stadium wird die aufgeffillte Geosynklinale durch das Fortschreiten des Kontinents hinter ihr aufgefaltet und Gebirgsbildung beginnt (M, Fig. 2). So stellt Nordamerika eine volistgndigere Entwicktung dar als AMen. Noch spgter werden die heiBen StrSme vom FuBe der Gebirge die u n t e r e n Schichten des Randgebietes forftragen; so wird auch dieses untersinken u n d in den Welten verschwinden (S, Fig. 2). Dies ist vor Peru und Nordamerika und auch an anderen Stellen vor fortschreitenden K o n t i n e n t e n geschehen. SchlieBlich wird mit der allmghlichen Abkfihlung des neuen Ozeanbodens hinter den Kontin e n t e n und dem Aufstehen der Gebirge an der

[ Die Natur[wissenschaften

Vorderseite das Str6mungssystem zur Rnhe kommen und sich zuletzt umkehren. Der Beginn dieser Umkehr ist bei R i n Fig. 2 d u r e h den Wirbel angezeigt. Wenden wit uns jetzt dem EinfluB eines radialen subkonfinentalen Str6mungssystems, wie die Skizze es zeigt, zu, so sieht m a n leicht, daI3 jeder der groBen kontinentalen B16cke -- Laurasien oder Gondwanaland, wie sie am Ende des Palaeozoikums waren -- sich in kleinere Bl6cke aufteile~ muB, und dab diese kleineren Bl6cke nach dem Tethys und dem Pazifik auseinandertreiben miissen, neue Ozeane hinter sich lassend nnd mit Gebirgen oder umrgnderten Geosynklinalen an ihrer Vorderseite. Fiir Gondwanaland wird hier die letzte karbonische Vergletscherung als schlfissiger geologischer Beweis daffir angesehen, dab es solche Bewegungen gegeben hat (20). Dies bedingt abet auch eine allgemeLrm Norddrift der I~uste auf der afrikanischen Seite. Die Konvektionshypothese macht auch dies mSglich, denn wenn man die fiberlagerten planetarischen und subkonfinentalen Str6mungen betrachtet, wie sie nach der Bildung des Tethys und der Auffaltung der sfidafrikanischen Kapgebirge wirklich waren, so sieht man leicht, dab sich als resultierende Wirkung ein Zug der ganzen Kruste fiber die subkrustale Schicht ergibt, wobei A~rika sich naeh Norden u n d der Pazifik sich nach Sfiden bewegt. Die Hypothese veriangt auch eine relative Anngherung yon Afrika und Europa, wodurch sich genau die Bewegung ergibt, die ARGAND u n d andere Alpengeologen zur Erkl~irung der Deckenstruktur der Alpen fordern (2). Wie die Hypothese verlangt, sind die einzelnen Bruchstficke yon Gondwanaland alle yon F a l t e n gebLrgen begrenzt, die den gebrochenen orogenetischen Ring der Sfidseite des groBen Systems, A l p e n - - H i m a l a y a , des australasiatischen Bogens yon Neuguinea nach Neuseeland, der antarktischen Anden und der sfidamerikanischen Anden bilden, welch letztere in Venezuela nach Osten biegen. Um Laurasien ist der orogenetische Ring weniger durchbrochen. Von der Nordseite des alpinen Systems ausgehend, setzt er sich fiber die asiatischen Insdgirlanden nach Alaska und den nordamerikanischen I~ordilleren fort und wendet sich dutch Honduras und Westindien nach Osten, Wo die beiden Ringe zusammengestoBen sind, sind zwischen ihnen sehr komplizierte Zwischengebirge entstanden, wie das westliche Mittelmeer, die Bandasee und das Karibische Meer. Aus Raummangel k6nnen wir uns eine eingehendere Darstelhing der Folgen der Konvekfionshypothese nicht gestatten I. %¥enn auch diese vorlgufige Skizze nur qualitafiver Natur ist, so geht sie doch welt, so dab ihre Annahme al~ 1 Ffir weitere Einzelheiten vgl. zwei im Druck befindliche Arbeiten: Radioaktivitat und Geologie. Verh. Nat. Ges. Basel 41, 1929--3o. -- Radioactivity and Earth Movements. Trans. Geol. Soc. Glasgow, I8, 559 (I93o).

Heft 4, ] 23. I. 19311

FOLLEBORN: W a n d e r u n g der Nematodenlarven im K 6 r p e r des Wirtes.

Arbeitshypothese gerechtfertigt erscheint. Ehe m a n sie als w a h r a n s e h e n k a n n , m u B die H y d r o dynamik der Konvektion in der subkrustalen S c h i e h t y o n d e n m a t h e m a t i s e h e n P h y s i k e r n ausgearbeitet werden. Bis dahin muB man den Nachd r u c k d a r a u f legen, d a b die G e o l o g e n e i n e n Vorgang der Kontinentalverschiebung fordern und a u c h i r g e n d e i n e n \KTeg, d e n W f x m e f i b e r s c h u B loszuwerden, dessen Entstehung in der subkrustalen S c h i c h t g l a u b h a f t ist. D i e K o n v e k t i o n s h y p o t h e s e l i e f e r t eine g e s u n d e p h y s i k a l i s c h e G r u n d l a g e f a r b e i d e s u n d erkl~irt gleichzeitig d a s B e s t e h e n des Erdmagnetismus.

Literatur: I. L. H. ADAMS, Temperatures a t moderate d e p t h s within t h e earth. J. aead. Sci. Wash. I4, 459 (I924). -- 2. E. ARGAND, L a tectonique de l'Asie. C. r. X l I I ° Congr. g6ol. internat. ]3ruxelIes 1 9 2 2 , 1 9 2 4 , I71--372. -- 3. A. BORN, Der Bewegungsmechanismus der Erdkruste. I n GUTXNBERGS L e h r b u c h der Geophysik, S. 124. 13erlinx929.--4. A. J. BULL, A hypothesis of m o u n t a i n building. Geol. Mag. 58, 364 (1921) -vgl. auch Proc. geol. Assoc. 38, 145 (1927) ; 4 o, lO5 (1929). - - 5- S. CHAPMAN, Cosmical magnetic phenomena. N a t u r e z929, 22--24. -- 6. P. ESKOLA, On t h e ectogites of Norway. Videns. Skrift Kristiania, Mat.-nat. Yd. i 9 2 1 , N r 8. - - 7. W. HILLER, LJber die Geschwindigkeit der seismischen Oberfl~chenwellen. Garlands Beitr. z. Geophysik I7, 279 (1927). -- 8. A. HOL~fES, Radioactivity and t h e earth's t h e r m a l history. Geol.

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Wanderung der Nematodenlarven im Ktrper des Wirtes:. V o n FRIEDRICH ~'0LLEBORN, H a m b u r g . I m J a h r e 1897 m a c h t e u n s e r L a n d s m a n n ARTHUR LOOSS, ein Schiller des groBen L e i p z i g e r H e l m i n t h o l o g e n LEUCKART, eine m e r k w f i r d i g e Beobachtung. Er studierte damals in ~gypten die Biologic y o n Ancylostoma duodenale, eines e t w a 1 c m l a n g e n F a d e n ~ m r m e s , d e r sich o f t zu H u n d e r ten im Dtinndarm des Menschen festbeiBt nnd dann b e k a n n t l i c h zu s c h w e r s t e r , s e l b s t t 6 d l i c h e r B l u t a r m u t f f i h r e n k a n n u n d a n d e m zu j e n e r Z e i t tibrigens auch zahlreiche Bergleute deutscher Kohlengruben zu leiden hatten. Looss hatte aus d e n zu T a u s e n d e n m i t d e m K o t e e n t l e e r t e n , m i k r o s k o p i s c h k l e i n e n E i e r n d e s P a r a s i t e n die e t w a I]2 m m l a n g e n L a r v e n g e z f i e h t e t u n d wollte e i n M e e r s c h w e i n c h e n d a m i t Ifittern, als i h m zuf~llig ein T r o p f e n d e r l a r v e n h a l t i g e n Flfissigkeit a u f die H a n d fiel: die g e t r o f f e n e H a u t s t e l l e beg a n n s o f o r t s t a r k zu j u e k e n , die L a r v e n a b e t w a r e n v e r s c h w u n d e n , d e n n sie h a t t e n sich i n die H a u t e i n g e b o h r t . Da, wie L o o s s n a c h w i e s , die 1 Vortrag, gehalten bet der Versammlung Deutscher Naturforscher u n d Arzte zu K6nigsberg, September 193 o. Die den Vortrag erl~uternden zahlreichen Lichtbilder (bzw. Filme) k6nnen hier nicht wiedergegeben werden; eine Anzahl d a v o n sind yore Autor im Arch. Schiffs- u. Tropenhyg. 18, Beth. 2 (i9t4); 29, Beth. 3 (1925) ; 3I, Beth. 2 (I927) u n d in der Klin. Wschr. I 9 2 2 , 984--988 bereits ver6ffentlicht; diese Arbeiten enth a l t e n auch n~here Literaturangaben.

Percutaninfektion -- g e w 6 h n l i c h e r f o l g t sie d u r c h die b l o B e n FtiBe - - bet w e i t e r n w i c h t i g e r i s t als die I n f e k t i o n d u r c h d e n Mund, w u r d e seine E n t deckung iiberhaupt zum Angelpunkt der modernen A n c y t o s t o m e n b e k ~ m p f u n g . I)iese b e r r e t t a u n s e r e K o h l e n g r u b e n schneI1 y o n d e n P a r a s i t e n , u n d d u r c h die D o l l a r m i l l i o n e n d e r Rocke]etler-Sti]tung gef6rdert, r e t t e t e sie i n v i e l e n d e r o f t i i b e r a u s s t a r k verseuchten wiirmeren L~nder zahllose Menschenl e b e n u n d m a c h t e d e r e n P l a n t a g e n r e n t a b e l . Die Weltwirtschaft verdankt Looss Millionenwerte: er s e l b s t freilich e r n t e t e n i c h t s y o n d e n g o l d e n e n Friichten seiner Entdeckung, sondern starb, durch die I n f l a t i o n g ~ n z h c h v e r a r m t , i m M a t I923. B r i n g e n w i r infektionsf{thige L a r v e n y o n Ancylostoma e i n e m V e r s u c h s t i e r e a u f die Hant, so l i n d e n w i r sie n a c h k u r z e r Zeit i m U n t e r h a u t b i n d e gewebe, u n d e b e n s o v e r h a l t e n s i c h die f i l a r i f o r m e n L a r v e n s t a d i e n y o n Strongyloides stercoralis. Vgie KHALIL gezeigt h a t , w i r d d a s E i n d r i n g e n d e r L a r v e n i n die H a u t d a d u r c h g e f 6 r d e r t , d a b sie y o n d e r e n W ~ r m e a n g e l o c k t w e r d e n , d. h. sie b e s i t z e n positive Thermotaxis. E i n , , s p e z i f i s c h e r " , nur vom Wirtstier ausgehender Reiz kommt far die p e r c u t a n i n f i z i e r e n d e n N e m a t o d e n l a r v e n a b e r o f f e n b a r nicht i n F r a g e . W i e L o o s s zeigen k o n n t e , g e l a n g e n die A n c y l o s t o m e n l a r v e n y o r e U n t e r h a u t b i n d e g e w e b e mat d e m Blutstrom o d e r a u c h d e m Lymphstrom z u n ~ c h s t z u m rechten Herzen u n d y o n