Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Plattentektonik früher als vor 4 Milliarden Jahren begann – kurz nach der Entstehung der Erde. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Plattentektonik, die Erdbeben, die Bildung von Bergen und die Trennung von Kontinenten verursacht, möglicherweise bereits begonnen hat, als die Erde gerade erst entstand – viel früher, als viele Wissenschaftler dachten.
Eine neue Studie legt nahe, dass die Plattentektonik vor mehr als 4 Milliarden Jahren begann – kurz nach der Entstehung des Planeten vor 4,5 Milliarden Jahren. Während dieser Ära, die als Hadean-Ära bekannt ist, war die Erde frisch und sengend heiß, mit einer Atmosphäre aus Ammoniak und Methan, die mit genug Wasser gesättigt war, um schließlich zu einem Ozean im Ausmaß eines Planeten zu kondensieren. Während dieser Zeit kühlte sich die Erde so weit ab, dass eine feste Außenkruste entstand.
Heute wird diese Kruste durch die Schleifbewegungen tektonischer Platten geformt, die sich über den wärmeren, beweglicheren Mantel darunter bewegen. Aber niemand weiß genau, wann diese Anordnung der Plattentektonik ihren Anfang nahm. Zuvor hatten Forscher vermutet, dass es in Hadea begann, fast unmittelbar nachdem die Kruste abgekühlt war. Andere glauben, dass die Plattentektonik vor etwa 3,2 Milliarden Jahren begann, als die Geochemie einige wichtige Veränderungen in der Zusammensetzung der Kruste aufdeckte. Andere argumentieren, dass das Phänomen noch jünger ist und sich in den letzten paar Milliarden Jahren zu seiner modernen Form entwickelt hat.
Wissenschaftler hatten Mühe, den genauen Beginn der Plattentektonik zu bestimmen, da es keine erhaltenen Gesteine gibt, die älter als 4 Milliarden Jahre sind. Das einzige direkte Fenster in die Hadean-Zeit sind daher winzige, haltbare Kristalle, sogenannte Zirkone, von denen die ältesten aus der Zeit stammen Vor 4,4 Milliarden Jahren. Eine Untergruppe solcher Kristalle, sogenannte S-Typ-Zirkone, kann das Vorhandensein von Plattentektonik anzeigen. Bei diesen besonderen Zirkonen handelt es sich um Kristalle, die sich in Sedimentgesteinen an Land bilden, dann durch Tektonik in den Erdmantel gedrückt werden und in metamorphen Graniten wieder auftauchen.
Abbildung zeigt die Schichten der Erde und ihres Kerns
Das Problem besteht darin, dass S-Typ-Zirkone nicht einfach anhand eines einzelnen Merkmals identifiziert werden können. Stattdessen können eine ganze Reihe von Spurenelementen verwendet werden.
In einer neuen Studie, die am 8. Juli in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht wurde, verwendeten Forscher ein Modell des maschinellen Lernens, um diese Aufgabe zu erleichtern. Die Wissenschaftler fütterten das Modell zunächst mit Daten von 300 Zirkonen bekannter Herkunft und testeten dann die Fähigkeit des Modells, um festzustellen, ob weitere 74 Zirkone vom S-Typ waren oder nicht. Nachdem das Team das Modell auf die Unterscheidung zwischen Zirkontypen trainiert hatte, wandte es es dann auf 971 neue Zirkone aus den Jack Hills in Australien an, wo die meisten der ältesten Zirkone der Erde gefunden werden.
Die Ergebnisse zeigten, dass 35 % der Jack Hills-Zirkone vom S-Typ waren. Einige stammen aus der Zeit vor 4,2 Milliarden Jahren, was darauf hindeutet, dass die Plattentektonik im Hadäer Gestein von der Erdkruste in den Erdmantel und wieder zurück bewegte.
Die Studie ist nicht die erste, die auf eine sehr alte tektonische Bewegung hinweist. Ein Experiment aus dem Jahr 2023, bei dem Gesteine bei hohen Temperaturen schmolzen, zeigte, dass die älteste kontinentale Kruste durch Subduktion entstanden ist, also den Prozess, bei dem eine tektonische Platte unter eine andere sinkt. Einige Studien deuten sogar darauf hin, dass frühe Kontinente während der Hadean-Zeit existiert haben könnten.
Aber die neue Studie wird wahrscheinlich nicht alle Kontroversen lösen. Chris Hawksworth, ein Geochemiker an der Universität Bristol, der nicht an der neuen Studie beteiligt war, sagte gegenüber dem Science Magazine, dass in der Frühzeit der Erde möglicherweise auch andere Kräfte als die Plattentektonik, wie etwa der Einschlag riesiger Meteoriten, Gestein zwischen Kruste und Mantel bewegt haben könnten.
In China wurden Hinweise auf eine „moderne“ Plattentektonik gefunden, die 2,5 Milliarden Jahre zurückreicht. Seltene Mineralien weisen auf die Existenz einer alten Subduktionszone hin.
Eine neue Studie hat herausgefunden, dass eine einzigartige Felsformation in China Hinweise darauf enthält, dass tektonische Platten während der Archäischen Ära (vor 4 bis 2,5 Milliarden Jahren) unter andere Platten subduziert wurden, wie dies auch heute der Fall ist, berichtete die Zeitschrift Proceedings of the Nationale Akademie der Wissenschaften.
Dieses 2,5 Milliarden Jahre alte Gestein, bekannt als Eklogit, ist selten und entsteht, wenn ozeanische Kruste bei relativ niedrigen Temperaturen tief in den Mantel (die Schicht zwischen Kruste und Kern) gedrückt wird. Diese Art von Gestein mit hohem Druck und niedriger Temperatur ist „größtenteils auf Subduktionszonen auf der modernen Erde beschränkt“.
Illustration der frühen Erde mit Plattentektonik. Zoonar GmbH / Alamy
Die Studie hat die ältesten bekannten Eklogiten aus einem alten Gebirgsgürtel identifiziert, der in der ozeanischen Erdkruste gefunden wurde, sagen Forscher. Die nächstältesten Gesteine dieser Art, die 2,1 Milliarden Jahre alten Gesteine in der Demokratischen Republik Kongo, seien etwa 400 Millionen Jahre jünger, sagen die Forscher.
Obwohl es sich nicht um den ältesten bekannten Beweis für Plattentektonik handelt (z. B. datierte eine Studie aus dem Jahr 2021 die Plattentektonik auf die Zeit vor etwa 3,6 Milliarden Jahren), liefert die neue Entdeckung eine wertvolle Datenquelle, die zeigt, dass tektonische Platten in „früher Zeit“ untereinander subduzierten ” Tage Existenz der Erde, zumindest aus geologischer Sicht.
Tektonische Platten – die beweglichen Platten, aus denen die äußere Erdkruste besteht – sind für die Zirkulation von Materialien und Elementen aus den Tiefen der Erde in ihre Ozeane, Oberflächen und Atmosphäre verantwortlich. Seit Jahrzehnten arbeitet das Forschungsteam daran, die frühe Geschichte und Entwicklung der Erde zu verstehen, von der Zeit, als sie sich aus einer geschmolzenen Magmakugel im Weltraum bildete und abkühlte, bis zu der Zeit, als sie sich zu der starren Außenkruste verfestigte, aus der sich die Erde entwickelte Plattentektonisches System, das wir heute haben.
Archaische Eklogitplatte mit rotem Granat und grünem Pyroxen aus Shangying, China. Lu Wang
Tektonische Platten sind für die Erwärmung des Planeten von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der Bewegung tektonischer Platten geht Wärme aus dem Inneren verloren, ähnlich wie Brot, das in einem Topf mit köchelndem Eintopf darunter schwimmt und sich bewegt. Ob der Übergang zu einer plattentektonischen Erde früh erfolgte oder ob sich der Planet durch verschiedene Stadien entwickelte, die von unterschiedlichen Wärmeverlustmechanismen dominiert wurden, ist heute eine der ungelöstesten und umstrittensten Fragen in der Geowissenschaft.
Aus diesem Grund hat das Forschungsteam in den letzten 20 Jahren archäische Gesteine kartiert, die sich über etwa 990 Meilen (1.600 Kilometer) im Norden Chinas erstrecken – ein alter Gebirgsgürtel namens Orogen, der den Ort markiert, an dem vor etwa 2,5 Milliarden Jahren zwei tektonische Platten kollidierten.
Viele Merkmale dieser Gesteine weisen darauf hin, dass dieser alte Gebirgsgürtel durch das Zusammenspiel tektonischer Platten entstanden ist. Beispielsweise stecken Fragmente ozeanischer Kruste, sogenannte Ophiolithe, in der antiken Kollisionszone fest, ebenso wie stark verformte Gesteinsmischungen namens Mélanges (französisch für „Mischungen“), die markieren, wo Platten kollidierten. Das Team entdeckte auch große gefaltete Strukturen, sogenannte Decken, die die Plattentektonik über Hunderte oder Tausende von Kilometern hinausgeschoben hatte.
Eine Felsformation mit archäischem Eklogit (einer dunklen Schicht mit rotem Granat und grünem Pyroxen), durchsetzt mit granathaltigem Metagabbro aus Shangying, China. Lu Wang
Die Entdeckung von Eklogiten in Mélange zeigt, dass eine tektonische Platte aus ozeanischer Kruste unter eine andere Platte gesunken ist und eine Metamorphose durchgemacht hat, d. h. ihre Zusammensetzung, Textur oder innere Struktur unter dem Einfluss von Hitze und Druck verändert hat, während sie tiefer in den Mantel gesunken ist .
Es ist selten, Eklogite aus dem Archaikum zu finden, was zu der Behauptung geführt hat, dass die moderne Plattentektonik im Archaikum nicht am Werk war. Daher ist die Entdeckung von Eklogit, einem Schlüsselindikator für tiefe und kalte Subduktion, sehr wichtig.
Laboranalysen von Eklogiten aus der Fundstelle zeigten, dass sie sich vor etwa 2,5 Milliarden Jahren auf einem sich ausdehnenden Meeresrücken bildeten, über den Meeresboden transportiert und dann durch Subduktion in den Erdmantel gezwungen wurden. Mikrostrukturen in den Mineralien Granat und Klinopyroxen weisen darauf hin, dass sie Temperaturen von 792 bis 890 Grad Celsius und hohe Drücke von 19,8 bis 24,5 Kilobar (287.000 bis 355.000 Pfund pro Quadratzoll) erreichten.
Lu Wang entdeckt dichten Bewuchs an einer archäischen Eklogit-Stätte in Shangying, China. Timothy Caskey
Diese Zahlen deuten darauf hin, dass die Eklogiten bis zu einer Tiefe von mindestens 40 Meilen (65 km) subduziert wurden. Mit anderen Worten, diese Ergebnisse ähneln Mineralien, die in modernen Subduktionszonen gefunden werden, sagten Kuski und Wang. Schließlich zwang der Druck zweier kollidierender tektonischer Platten das dichte Gestein zurück an die Oberfläche.
Dennoch seien die Ergebnisse weder allzu überraschend noch besonders neu, sagte Roberta Rudnick, Professorin für Geowissenschaften an der University of California in Santa Barbara, die nicht an der Studie beteiligt war. „Meiner Meinung nach ist es nicht besonders neu“, wie andere Forscher bereits berichtet haben, ebenso wie alte Eklogite und Eklogitmineralien, die in Diamanten eingeschlossen sind und durch Vulkanröhren herauskamen, die „seit Jahrzehnten sehr gut untersucht“ wurden.