Jüngste Fortschritte in der Geochronologie, der Datierung von Gesteinen, ermöglichen es Geologen, radioaktiven Zerfall zu messen und geologischen Ereignissen ein sehr präzises absolutes Alter zuzuordnen. In einer anderen Studie fanden Wissenschaftler Isotopennachweise für einen plötzlichen Übergang zur primitiven Plattentektonik vor etwa 3,8 Milliarden Jahren. Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass zu diesem Zeitpunkt mindestens an einer Stelle der Erde eine einfache Form der Subduktion eingesetzt hatte. Ein baumgesäumter afrikanischer See lieferte zudem Daten zum Erdmagnetfeld der letzten 150.000 Jahre.
Von der Entstehung des Lebens bis zum Massenaussterben hat die Erde in ihren 4,6 Milliarden Jahren unglaubliche Veränderungen durchgemacht. Wie können Forscher angesichts einer so langen Geschichte nachvollziehen, was wann geschah?
Das System, auf das sich viele Wissenschaftler geeinigt haben, ist die Internationale Geologische Zeitskala (hier in der Internationalen Chronostratigraphischen Tabelle dargestellt), die die geologische Zeit in fünf Einheiten unterteilt. Von der längsten bis zur kürzesten und präzisesten sind diese Einheiten Äonen, Epochen, Perioden und Zeitalter.
Verschiedene Stadien der geologischen Zeit „werden durch sichtbare Veränderungen im Fossilienbestand definiert“, sagt Jacqueline Gill, außerordentliche Professorin für Paläoökologie und Pflanzenökologie an der University of Maine. Fossilien sind aus mehreren Gründen ein nützliches Werkzeug für diese Datierungsarbeit. Erstens existierte Leben wahrscheinlich schon während etwa 90 Prozent der Erdgeschichte, sodass die Erdgeschichte parallel zur Geschichte des Lebens verläuft. Fossilien sind auch deshalb nützlich, weil Veränderungen im Fossilienbestand Veränderungen in der Ökologie widerspiegeln, also in der Beziehung zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt. Diese Veränderungen in der Ökologie der Erde spiegeln laut livescience.com tendenziell wichtige Ereignisse in der Geschichte des Planeten wider.
Einer der wichtigsten Momente der Erdgeschichte war der Übergang vom Mesozoikum zum Känozoikum vor etwa 65 Millionen Jahren. Auslöser war ein Asteroideneinschlag, der schließlich die nicht-aviären Dinosaurier auslöschte.
Internationale Chronostratigraphische Karte 2020. Internationale Kommission für Stratigraphie, stratigraphy.org
Man braucht keine Zeitmaschine, um das Ausmaß der Veränderungen zwischen dem Mesozoikum und dem Känozoikum zu begreifen. Schon die sorgfältige Untersuchung einer Gesteinsschicht kann einem Forscher helfen, ihr Alter zu bestimmen. So ist beispielsweise der Einschlag, der das Mesozoikum beendete und das Känozoikum einleitete, durch eine Schicht mit ungewöhnlich hohen Iridium-Konzentrationen gekennzeichnet, die in Meteoriten deutlich häufiger vorkommt als in der Erdkruste.
Auch andere Veränderungen der Mineral- und Elementverhältnisse können als Beweis für die turbulente Erdgeschichte dienen. So schloss beispielsweise vor etwas mehr als 5 Millionen Jahren tektonische Aktivität die Straße von Gibraltar, was letztlich zur Schrumpfung des Mittelmeers und einer dramatischen Zunahme seiner Mineralzusammensetzung führte. Dieses Ereignis ereignete sich im Messenischen Zeitalter und markierte das Ende des Miozäns und den Beginn des Pliozäns vor etwa 5,3 Millionen Jahren.
Laut Karl Wegmann, außerordentlicher Professor für Geologie an der North Carolina State University, „sind heute in vielen Ländern rund um das Mittelmeer Salz- und Gipsvorkommen zu sehen, die heute als Gesteine über dem heutigen Meeresspiegel freiliegen“, und zwar aufgrund tektonischer Aktivitäten in den Millionen Jahren seit diesem letzten Ereignis.
Im Grand Staircase-Escalante National Monument sind verschiedene Gesteinsschichten zu sehen, die sich im Laufe der Zeit in einem Slot Canyon in Utah abgelagert haben. Shutterstock
Jüngste Fortschritte in der Geochronologie, der Datierung von Gesteinen, ermöglichen es Geologen, radioaktiven Zerfall zu messen und geologischen Ereignissen ein sehr präzises absolutes Alter zuzuordnen. Dazu berechnen Geochronologen das Alter von Gesteinen, indem sie die Anteile bestimmter Isotope vergleichen – also Elemente, deren Kerne eine andere Neutronenzahl als üblich aufweisen. All diese Ansätze fügen sich wie ein Puzzle zusammen und bieten Forschern eine gemeinsame Sprache für die Diskussion der fernen Vergangenheit.
Die geologische Zeitskala ist ein wissenschaftliches Werkzeug, aber auch ein Artefakt der Geschichte. Objektive Messungen von Eigenschaften wie dem radioaktiven Zerfall können Forschern Aufschluss darüber geben, wann Gesteinsschichten entstanden sind. Doch es obliegt den Wissenschaftlern, oft aufbauend auf den Arbeiten ihrer Vorgänger, zu entscheiden, wie die Daten in geologische Zeitrahmen eingeteilt werden. Eine der umstrittensten Fragen der Chronostratigraphie ist die Definition unserer eigenen Zeit.
„Das Holozän ist eine Art willkürliche Epoche“, sagte Gill. Es begann vor etwa 12.000 Jahren, als sich die Erde nach der letzten Eiszeit zu erwärmen begann. Doch das Ende dieser Eiszeit, obwohl es mit dem Übergang zu einer neuen Epoche zusammenfiel, sei geologisch nicht bedeutsamer als das Ende der Eiszeiten davor, sagte Gill.
Auch heute noch benennen Wissenschaftler neue Zeitfenster, darunter das Chibani-Zeitalter, benannt nach der japanischen Präfektur, in der die Sedimente gefunden wurden, die sein Alter bestimmen. Viele Wissenschaftler und andere argumentieren, dass der jüngste menschliche Einfluss auf den Planeten die Ausrufung einer neuen Epoche rechtfertigt: des Anthropozäns. Andere wiederum meinen, das Kapitalozän beschreibe die sozialen Systeme, die den Planeten seit der industriellen Revolution so stark geprägt haben, genauer.
Können Steine wachsen? Um zu erklären, wie und warum, wollen wir zunächst über eine weitere wichtige Frage sprechen: Was ist ein Stein?
Ein Gestein ist eine Ansammlung von Mineralien. Ein Mineral ist ein einzelner Kristall, der aus Elementen wie Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff besteht. Ein Mineral wird zu einem Gestein, wenn mehrere Kristalle vorhanden sind, unabhängig davon, ob das Gestein aus vielen verschiedenen Mineralienarten oder aus allen derselben Art besteht.
Wenn Wasser an heißen Quellen wie den Mammoth Hot Springs im Yellowstone-Nationalpark (hier abgebildet) an die Oberfläche tritt, bilden sich riesige Travertinformationen. Jim Pico, National Park Service
In Höhlen wachsen Gesteine, weil Wasser, das an den Wänden herunterläuft oder von der Decke tropft, Mineralien an den Wänden oder am Boden der Höhle hinterlässt. Höhlengesteine bestehen in der Regel aus Mineralien wie Kalzit, Aragonit, Opal, Chalcedon und anderen. Gesteine, die durch dieses tropfende Wasser gebildet werden, heißen Stalaktiten, wenn sie von der Decke wachsen, und Stalagmiten, wenn sie vom Boden wachsen.
Das sogenannte Puppentheater im Carlsbad Caverns Nationalpark beherbergt eine riesige Sammlung von Stalaktiten und Strohsäulen. NPS-Foto/Peter Jones
Travertin, ein Gesteinstyp, wächst in Quellen, in denen Wasser aus dem Untergrund an die Oberfläche fließt. Große Travertinformationen finden sich häufig in der Nähe von heißen Quellen, da warmes Wasser mehr Mineralien enthält als kaltes. Die berühmte Mammoth Hot Spring im Yellowstone-Nationalpark ist zwar nur etwa 8.000 Jahre alt, ihre Travertinvorkommen sind jedoch 73 Meter dick und bedecken mehr als 4 Quadratkilometer Land.
Manche Gesteine entstehen, wenn gelöste Metalle aus Meer- oder Süßwasser ausfallen. Diese sogenannten Knollen, wie die hier abgebildeten Manganknollen, findet man auf dem Grund aller Ozeane. Niels Brenke, CeNak
Wasser enthält auch gelöste Metalle, die aus Meer- oder Süßwasser ausfallen und Gestein bilden können. Diese Gesteine werden Knollen genannt. Knollen aus Mangan, Eisen, Kupfer, Nickel und Kobalt findet man auf dem Grund aller Ozeane. Sie bilden sich Schicht für Schicht, wie eine Perle. (Perlen sind technisch gesehen Gesteine, obwohl sie von Austern produziert werden.) Jede Schicht macht den Knollen ein wenig größer.
Manganknollen wachsen sehr langsam, typischerweise weniger als 1 cm pro Million Jahre. Aufgrund ihres langsamen Wachstums können einige der größten Knollen 10 Millionen Jahre alt sein. Metallknollen wachsen auch in Süßwasser, normalerweise wenn Wasser durch Gestein fließt und Ablagerungen metallischer Mineralien hinterlässt, wie zum Beispiel den Moqui-Marmor im Südwesten der USA. Sogar auf dem Mars wurden Metallknollen gefunden.
Metallische Knötchen wie diese mikroskopisch kleinen kugelförmigen Körner, die „Blaubeeren“ genannt werden, wurden auf dem Mars entdeckt.
Metamorphe Gesteine, die erhitzt, unter Druck gesetzt oder beides wurden, können fester (schwerer zu brechen) und schwerer werden. Metamorphe Gesteine sind eine von drei Hauptarten von Gestein; die anderen beiden sind magmatische Gesteine und Sedimentgesteine. Die Mineralien im ursprünglichen Gestein werden durch Hitze und Druck umgewandelt (manchmal entstehen auch neue Mineralien). Metamorphe Gesteine werden fester, wenn Hitze und Druck dazu führen, dass ihre Mineralien fester aneinander haften. Außerdem kann die Dichte eines Gesteins zunehmen, wenn es Druck ausgesetzt wird – die gleiche Materialmenge wird auf kleinerem Raum (Volumen) gepackt. „Dadurch fühlt sich ein Stück metamorphes Gestein schwerer an als ein Stück der gleichen Größe des ursprünglichen Gesteins“, sagte BlackEagle.
In Südafrika entdeckte winzige Kristalle enthalten Hinweise auf eine plötzliche Veränderung der Planetenoberfläche vor 3,8 Milliarden Jahren.
Diese Kristalle, die jeweils nicht größer als ein Sandkorn sind, zeigen, dass sich die Erdkruste etwa zu dieser Zeit spaltete und in Bewegung setzte – ein Vorläufer des Prozesses, der als Plattentektonik bekannt ist.
Die Ergebnisse bieten Einblicke in die Entwicklung der Erde als Planet und könnten dazu beitragen, Fragen zu möglichen Zusammenhängen zwischen Plattentektonik und der Evolution des Lebens zu beantworten, sagte die leitende Studienautorin Nadja Drabon, Professorin für Erd- und Planetenwissenschaften an der Harvard University.
Heute treiben die Teile des starren Krustenpuzzles in einem klebrigen, heißen Magmaozean im Erdmantel, der mittleren Schicht der Erde. Diese Krustenstücke reiben aneinander, tauchen in sogenannten Subduktionszonen untereinander und drücken sich gegenseitig nach oben. Dadurch entstehen Gebirge und Ozeanrücken, Vulkane entstehen und Erdbeben, die den Planeten regelmäßig erschüttern. Das Absinken tektonischer Platten erzeugt in Subduktionszonen zudem neues Gestein, das mit der Atmosphäre interagiert und Kohlendioxid absorbiert. Dieser Prozess macht die Atmosphäre lebensfreundlicher und hält das Klima stabiler.
Doch das war nicht immer so. Als die Erde jung und heiß war, während des Hadaikums (vor 4,6 bis 4 Milliarden Jahren), war sie zunächst von einem Ozean aus Magma bedeckt und später, als sie abkühlte, von einer festen Felsoberfläche.
Wann genau diese Oberfläche Risse bekam und sich ihre Teile zu bewegen begannen, ist Gegenstand heftiger Debatten. Einige Studien gehen davon aus, dass die Plattentektonik erst vor 800 Millionen Jahren begann, während andere davon ausgehen, dass das System mindestens zwei Milliarden Jahre alt ist.
Rotgoldener Zirkonkristall. Shutterstock
Da der Planet seine Kruste jedoch ständig in einen Mantel umwandelt, gibt es auf der Oberfläche kaum uralte Gesteine, die zur Klärung dieser Debatte beitragen könnten. Vor dieser Studie machten Gesteine, die zwischen 2,5 und 4 Milliarden Jahre alt waren, nur 5 % des Gesteins auf der Oberfläche aus. Und kein Gestein ist älter als 4 Milliarden Jahre.
Das änderte sich 2018, als Drabon und ihre Kollegen Zirkonkristalle in einer grünen Sandsteinformation in der südafrikanischen Barberton Greenstone Range entdeckten. Das Team fand 33 Zirkone im Alter zwischen 4,1 und 3,3 Milliarden Jahren.
In einer neuen Studie, die am 21. April 2025 in der Zeitschrift AGU Advances veröffentlicht wurde, analysierte das Team verschiedene Isotope oder Versionen von Elementen mit unterschiedlicher Neutronenzahl in alten Zirkonen sowie in vielen Zirkonen aus anderen Zeiten und Orten auf der Erde.
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In den Isotopen fanden Wissenschaftler Hinweise auf einen plötzlichen Übergang zur primitiven Plattentektonik vor etwa 3,8 Milliarden Jahren. Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass zu diesem Zeitpunkt zumindest an einer Stelle des Planeten eine einfache Form der Subduktion eingesetzt hatte. Ob dies auf globaler Ebene geschah, ist noch ungeklärt, und es ist wahrscheinlich, dass der „wirklich effiziente Mechanismus gegeneinander gleitender Platten“, wie er heute existiert, noch nicht entstanden ist.
Isotopenanalysen von Elementen wie Sauerstoff, Niob und Uran zeigten zudem, dass Gesteine an der Oberfläche bereits vor 3,8 Milliarden Jahren Wasser enthielten. Dies lässt darauf schließen, dass die Zirkone einst in der ozeanischen Kruste des ursprünglichen Meeresbodens eingeschlossen waren. Und eine Extrapolation der ältesten Proben, die 4,1 Milliarden Jahre alt sind, lässt darauf schließen, dass der Planet spätestens vor 4,2 Milliarden Jahren eine feste Kruste besaß.
Dies würde bedeuten, dass der Magmaozean der Erde nur bis zum späten Hadäum existierte. Bisher ging man davon aus, dass die Erde bis vor 3,6 Milliarden Jahren lediglich von einem Magmaozean bedeckt war. Die neue Studie legt jedoch nahe, dass der Ozean aus geschmolzener Lava höchstens einige hundert Millionen Jahre existierte, bevor sich eine feste Kruste bildete.
Was also verursachte diesen Übergang? Eine Theorie besagt, dass die Plattentektonik einfach entstand, als die Erde ausreichend abkühlte. Es ist auch möglich, dass massive Gesteinsbrocken aus dem All auf die Erde einschlugen und ihre Kruste aufbrachen, ähnlich wie ein Dessertlöffel die knusprige Oberfläche einer Crème brûlée zerbrach. Eine weitere spannende Frage ist, ob der Übergang zur frühen Plattentektonik auf der Erde die Evolution des Lebens begünstigte.
Während die frühesten fossilen Beweise für Leben auf der Erde etwa 3,5 Milliarden Jahre alt sind, sind die chemischen Signaturen biologischer Prozesse, die in Kohlenstoffisotopenverhältnissen gefunden wurden, sogar noch älter. Einige von ihnen lassen sich sogar auf eine Zeit vor 3,8 Milliarden Jahren zurückführen – etwa zur gleichen Zeit, als die frühe Plattentektonik begann.
Eine 150.000-jährige Geschichte des Erdmagnetfelds enthüllt Geheimnisse über das Klima, das herrschte, als sich die ersten Menschen aus Afrika ausbreiteten. Die Daten werfen Licht auf das Klima, das die frühen Menschen erlebten, als sie sich aus Afrika ausbreiteten.
Ein von Bäumen gesäumter afrikanischer See hat Daten über das Magnetfeld der Erde der letzten 150.000 Jahre geliefert.
Ein Bohrkern aus Gestein und Sediment vom Grund des Chala-Sees, eines malerischen Kratersees an der Grenze zwischen Tansania und Kenia, enthält Aufzeichnungen der Schwankungen des Magnetfelds unseres Planeten. Das Gestein enthält außerdem wertvolle Informationen über das Klima der letzten 150.000 Jahre, als der moderne Mensch von Afrika auf die Arabische Halbinsel und weiter nach Europa und Asien wanderte.
„Es gibt Bemühungen zu verstehen, welche Bedingungen den Menschen dazu veranlassten, Afrika zu verlassen und den Rest Eurasiens zu besiedeln“, sagt Anita Di Chiara, Paläomagnetologin am italienischen Nationalen Institut für Geophysik und Vulkanologie in Rom. Doch um anhand alter Sedimentfunde vergangene Klimata zu rekonstruieren, „brauchen wir Epochen. Wir brauchen eine Methode, diese Sedimente zu datieren.“
Hier kommen Veränderungen im Erdmagnetfeld ins Spiel. Wenn sich Gesteine bilden, zeichnen sie mithilfe kleiner magnetischer Kristalle, die sich auf das jeweilige Magnetfeld ausrichten, eine Aufzeichnung des Magnetfelds auf. Die meisten dieser Gesteinsaufzeichnungen stammen aus Gebieten in Polnähe, wo diese Signale stärker sind.
Wissenschaftler haben Kerne aus dem Grund des Chala-Sees (siehe Abbildung oben) gebohrt, um Einblicke in das Erdklima der letzten 150.000 Jahre zu gewinnen. Jacek_Sopotnicki
Wissenschaftler wie Di Chiara können magnetische Veränderungen in Gesteinsschichten eines Ortes, beispielsweise des Chala-Sees, mit Schichten auf der ganzen Welt vergleichen, deren Alter die Forscher bereits kennen. Sie können außerdem Gesteinsschichten aus bekannten Ereignissen zur Kalibrierung der Daten nutzen. So enthält der Kern des Chala-Sees beispielsweise eine Ascheschicht des Supervulkans Toba, der vor 74.000 Jahren in Indonesien ausbrach.
Der Chala-See sei ein besonderer Ort, um diese Daten zu erhalten, sagte Di Chiara. Es handele sich um einen Kratersee, der nicht von großen Bächen oder Flüssen, sondern vom Abfluss der umliegenden Klippen und Wälder gespeist werde. Das bedeutet, dass die Schichten am Grund des Sees nicht durch einmalige Ereignisse wie Überschwemmungen aufgewühlt werden. Stattdessen lagern sich die Schichten Saison für Saison sauber übereinander.
Die Forscher entdeckten in dem 150.000 Jahre alten Gesteinsarchiv sechs magnetische Exkursionen – vorübergehende, manchmal örtlich begrenzte Schwankungen des Magnetfelds –, wie sie im April in der Fachzeitschrift „Geochemistry, Geophysics, Geosystems“ berichteten. Eine davon war eine Anomalie, die sonst nirgendwo im Gesteinsarchiv zu finden war. Solche Exkursionen könnten durch chaotische Zirkulationen im inneren Erdkern oder durch Wechselwirkungen zwischen dem festen inneren Kern und dem flüssigen äußeren Kern verursacht werden.
Die magnetischen Ausschläge wären den Ureinwohnern Ostafrikas vermutlich unbemerkt geblieben, doch heute sind die Schwankungen des Magnetfelds erheblich. Das liegt daran, dass das Magnetfeld den Planeten vor dem Sonnenwind schützt, einem Strom geladener Teilchen von der Sonne. Ein schwächeres Feld bedeutet mehr Störungen der Kommunikation und der elektronischen Geräte durch diese Teilchen.
Historische Daten werden den Forschern auch dabei helfen, das Verhalten des Magnetfelds vorherzusagen.
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
