Geochemie : Steinernes Zeugnis aus der Kinderstube des Planeten

Geochemiker finden einen Hinweis auf ein uraltes Stück Erdmantel und stellen damit eine Lehrmeinung zur frühen Erde infrage.

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Die Erde ist eine gewaltige Recyclinganlage. In einem ewigen Kreislauf wandern die Erdplatten über die Oberfläche. Während an dem einen Ende ständig neues Gestein gebildet wird, etwa an den mittelozeanischen Rücken, wird das andere Ende in die Tiefe gezerrt und geschmolzen, zum Beispiel unter den Anden. Manche Teile entgehen den gefräßigen Verschluckungszonen, wie Gestein an der Hudson-Bay in Kanada. Mit 4,3 Milliarden Jahren ist es das älteste, das bisher gefunden wurde. Es ist nur etwa 300 Millionen Jahre jünger als die Erde selbst. Auch im Erdmantel, der sich unter den Erdplatten befindet, wird ständig Material herumgewälzt. Dabei ändert sich die chemische Zusammensetzung, vor allem wenn große Mengen Gestein von der Oberfläche in die Tiefe zurückkehren. Sie „verunreinigen“ das ursprüngliche Mantelmaterial.

Ein Team um Matthew Jackson von der Universität Boston behauptet jetzt, Hinweise auf das wohl älteste Stück des Erdmantels gefunden zu haben. Seit 4,5 Milliarden Jahren sei es nicht mehr verändert worden, berichten sie im Fachblatt „Nature“ (Band 466, Seite 853). Das Areal selbst haben die Geochemiker nicht erkundet, es liegt mehrere 100 Kilometer tief. Stattdessen haben sie relativ junges vulkanisches Gestein von Baffin Island im Arktischen Ozean untersucht. Gespeist wurden die Vulkane von einem Reservoir im Mantel, das den Forschern zufolge kurz nach der Entstehung der Erde gebildet wurde.

Sie stützen ihre Aussage auf Untersuchungen von Isotopen. Damit werden unterschiedlich schwere Atomsorten des gleichen Elements bezeichnet. Durch radioaktiven Zerfall ändern sich deren Mengenverhältnisse. Anhand der Verteilung von Bleiisotopen schätzt Jacksons Team, dass das geheimnisvolle Stück Erdmantel vor rund 4,5 Milliarden Jahren entstand. Weitere Isotopenanalysen von Helium und Neodym zeigen, dass seine chemische Zusammensetzung seitdem kaum verändert wurde. Wie ein Tier, das den Winter geschützt in einer Höhle verbringt, muss das Stück Erdmantel in irgendeiner Nische vor den gewaltigen Umwälzungen verschont geblieben sein.

Die Analysen stellen die Lehrmeinung über die frühe Entwicklung der Erde infrage. Demnach war die Zusammensetzung des Mantels zu Beginn ähnlich der von Chondriten. Das sind Steinmeteorite, die in der Anfangsphase des Sonnensystems gebildet wurden und am Aufbau der Erde beteiligt waren. Später veränderte sich die Chemie des Erdmantels, indem vor allem „inkompatible“ Elemente wie Cäsium und Strontium mit dem aufsteigenden Magma verschwanden.

Das Methusalemstück des Mantels zeigt aber, dass es bereits vor 4,5 Milliarden Jahren weniger inkompatible Elemente enthielt als die Chondriten. Offensichtlich waren schon damals die Elemente in unterschiedliche Tiefenlagen aufgeteilt. „Unserem Modell zufolge bildeten sich dann auf dem Magmaozean die ersten Krustenstücke“, sagt Koautor Richard Carlson. Doch die hatten kaum Auftrieb, weil sie eisenreich waren. „Dadurch sanken sie zum Grund des Erdmantels, wo sie bis heute liegen.“

Wie gelingt es einem Stück Erdmantel, sich all den Veränderungen über die Jahrmilliarden zu entziehen und dann im rechten Moment an die Oberfläche zu kommen, wo es von Geoforschern gefunden werden kann? Das sei in der Tat ein großer Zufall, kommentiert der Geochemiker David Graham von der Universität Oregon („Nature“, Band 622, Seite 822). Die Arbeit von Jacksons Team sei aber stichhaltig und darum wichtig Beitrag für die Erforschung der Erdgeschichte.

Die Vorgänge im Erdmantel seien kaum verstanden, geben die Wissenschaftler zu. Neuen Computermodellen zufolge sei es aber möglich, dass bestimmte Teile isoliert bleiben. Beispielsweise im Inneren der gewaltigen Materieströme, die im Untergrund zirkulieren.

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