Eine Handvoll alter Zirkonkristalle, die in Südafrika gefunden wurden, sind die ältesten Beweise für Subduktion, ein Schlüsselelement der Plattentektonik. Dies geht aus einer neuen Studie hervor, die heute in AGU Advances veröffentlicht wurde, der Zeitschrift der AGU für hochaktuelle, frei zugängliche Forschung und Kommentare in den Erd- und Weltraumwissenschaften.
Diese seltenen Zeitkapseln aus der Jugend der Erde deuten auf einen Übergang vor etwa 3,8 Milliarden Jahren von einer langlebigen, stabilen Gesteinsoberfläche zu den aktiven Prozessen hin, die unseren Planeten heute formen, und liefern damit einen neuen Anhaltspunkt in einer heißen Debatte darüber, wann die Plattentektonik in Gang gesetzt wurde.
Die Erdkruste und die oberste Schicht des Erdmantels, die sich direkt darunter befindet, sind in starre Platten aufgeteilt, die sich langsam auf den zähflüssigen, aber beweglichen unteren Schichten des Mantelgesteins bewegen. Die Wärme aus dem Erdkern treibt diese langsame, aber unaufhaltsame Bewegung an, die für Vulkane, Erdbeben und die Hebung von Gebirgszügen verantwortlich ist.
Die Schätzungen darüber, wann dieser Prozess in Gang kam und die moderne Kruste entstand, reichen von über 4 Milliarden Jahren bis zu nur 800 Millionen Jahren. Die Ungewissheit rührt daher, dass die geologischen Aufzeichnungen aus der Jugendzeit der Erde aufgrund des Oberflächenrecyclingeffekts der Plattentektonik selbst spärlich sind. Aus dem Erdaltertum, den ersten 500 Millionen Jahren der Erde, ist fast nichts erhalten.
„Die Erde aus dem Erdaltertum ist eine große Rätselkiste“, sagt Nadja Drabon, Geologin an der Harvard University und Hauptautorin der neuen Studie.
Winzige Zeitkapseln
In einem aufregenden Schritt zur Lösung dieses Rätsels entdeckten Drabon und ihre Kollegen 2018 eine chronologische Reihe von 33 mikroskopisch kleinen Zirkonkristallen aus einem seltenen, uralten Krustenblock im Barberton-Grünsteingürtel in Südafrika, die sich zu verschiedenen Zeiten über eine kritische 800-Millionen-Jahre-Spanne von vor 4,15 bis 3,3 Milliarden Jahren gebildet haben.
Zirkon ist ein relativ häufig vorkommendes akzessorisches Mineral in der Erdkruste, aber alte Vertreter aus dem Erdaltertum vor 4 bis 4,56 Milliarden Jahren sind äußerst selten und werden nur an 12 Orten auf der Erde gefunden, und zwar in der Regel in einer Anzahl von weniger als drei an jedem Ort.
Die Hafnium-Isotope und Spurenelemente, die in den Zirkonen des Grünsteingürtels erhalten sind, erzählen eine Geschichte über die Bedingungen auf der Erde zu der Zeit, als sie kristallisierten. Zirkone, die 3,8 Milliarden Jahre und jünger sind, scheinen sich in Gesteinen gebildet zu haben, die einem ähnlichen Druck und einer ähnlichen Schmelze ausgesetzt waren wie moderne Subduktionszonen, was darauf hindeutet, dass sich die Kruste in Bewegung gesetzt haben könnte.
„Wenn ich von Plattentektonik spreche, beziehe ich mich speziell auf eine Bogenbildung, bei der eine Platte unter einer anderen durchläuft und es zu einem starken Vulkanismus kommt – man denke nur an die Anden und den Ring des Feuers“, beschreibt Drabon ein klassisches Beispiel für Subduktion.
„Bei 3,8 Milliarden Jahren kommt es zu einer dramatischen Verschiebung, bei der die Kruste destabilisiert wird, neue Gesteine entstehen und die geochemischen Signaturen immer mehr dem ähneln, was wir in der modernen Plattentektonik sehen“, so Drabon.
Im Gegensatz dazu bewahrten die älteren Zirkone Hinweise auf eine globale „Protokruste“, die aus umschmelzendem Mantelgestein entstand und 600 Millionen Jahre lang stabil geblieben war, so die Studie.
Anzeichen für globale Veränderungen
Die neue Studie fand einen ähnlichen Übergang zu Bedingungen, die der modernen Subduktion ähneln, in Zirkonen von anderen Orten auf der ganzen Welt, die etwa 200 Millionen Jahre vor den südafrikanischen Zirkonen entstanden.
„Wir sehen Beweise für einen bedeutenden Wandel auf der Erde vor etwa 3,8 bis 3,6 Milliarden Jahren, und die Entwicklung zur Plattentektonik ist eine klare Möglichkeit“. sagte Drabon.
Auch wenn die Ergebnisse nicht schlüssig sind, deuten sie doch darauf hin, dass ein globaler Wandel begonnen hat, der möglicherweise an verschiedenen Orten begann und wieder aufhörte, bevor er sich zu dem effizienten globalen Motor der sich ständig bewegenden Platten entwickelte, den wir heute sehen.
Die Plattentektonik prägt sowohl die Atmosphäre als auch die Oberfläche der Erde. Durch die Freisetzung vulkanischer Gase und die Produktion von neuem Silikatgestein, das große Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnimmt, werden große Temperaturschwankungen durch zu viel oder zu wenig Treibhausgas ausgeglichen.
„Ohne all das Recycling und die Bildung neuer Kruste würden wir zwischen kochend heiß und eiskalt hin und her schwanken“, so Drabon. „Das ist so etwas wie ein Thermostat für das Klima“.
Die Plattentektonik wurde bisher nur auf der Erde beobachtet und könnte für die Bewohnbarkeit eines Planeten von entscheidender Bedeutung sein, sagte Drabon, was die Ursprünge der Plattenbewegungen für die Erforschung der frühen Entwicklung des Lebens interessant macht.
„Die Aufzeichnungen, die wir für die früheste Erde haben, sind wirklich begrenzt, aber wenn man einen ähnlichen Übergang an so vielen verschiedenen Orten sieht, ist es wirklich denkbar, dass es sich um eine globale Veränderung der Krustenprozesse gehandelt haben könnte“, sagte Drabon. „Es fand eine Art Umstrukturierung auf der Erde statt“.
Datum: April 21, 2022
Quelle: Amerikanische Geophysikalische Union
Journal Reference:
- Nadja Drabon, Benjamin L. Byerly, Gary R. Byerly, Joseph L. Wooden, Michael Wiedenbeck, John W. Valley, Kouki Kitajima, Ann M. Bauer, Donald R. Lowe. Destabilization of Long‐Lived Hadean Protocrust and the Onset of Pervasive Hydrous Melting at 3.8 Ga. AGU Advances, 2022; 3 (2) DOI: 10.1029/2021AV000520