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Fernrohr in die früheste Erdgeschichte

erstellt von Lutz_Peschke zuletzt verändert: 23.06.2009 12:04

Die ältesten Diamanten der Welt hat eine junge Geowissenschaftlerin von der Universität Münster in Zirkonkristallen aus der Frühzeit der Erde gefunden. Die Edelsteine sind mit wenigen Mikrometern nur winzig klein und eignen sich daher nicht als Juwelen, doch für unser Wissen über die Entwicklung des Planeten sind sie wertvoller als alle Kronjuwelen. Die Forscherin stellte ihre Ergebnisse auf dem zentralen Treff der Geochemiker, der Goldschmidt-Tagung, vor, die in dieser Woche in Köln stattfand. Gleichzeitig erscheint ein Bericht in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Nature“.

„Es war einfach unheimliches, pures Glück, dass wir diesen Fund gemacht haben“, freut sich Martina Menneken, Masterkandidatin in Geowissenschaften an der Universität Münster und frischgebackene „Nature“-Autorin auf der Goldschmidt-Konferenz in Köln. 1000 gerade einmal stecknadelkopfgroße Zirkonkristalle hat sie für ihre Master-Arbeit analysiert und auf Einschlüsse untersucht. „Und bei 45 von diesen 1000 Zirkonen konnten wir Diamanteinschlüsse nachweisen“, so Menneken. Zwischen drei und 4,252 Milliarden Jahre sind diese Diamanten alt. Damit übertreffen die ältesten den bisherigen Rekordhalter um nahezu eine Milliarde Jahre. „Den ältesten habe ich sogar bei meiner ersten Messung entdeckt“, so Martina Menneken. Die Mikrodiamanten sind zwischen zehn und 60 Mikrometer groß, messen also noch nicht einmal ein Zehntel Millimeter im Durchmesser.


Jack Hills












Hier in den Jack Hills wurden die ältesten Kristalle der Welt gefunden. Foto: Dagmar Röhrlich


Die winzigen Zirkonkristalle, von denen einige Einschlüsse mit Mikrodiamanten haben, sind das einzige, was aus den ersten paar Hundert Millionen Jahren unseres Planeten übrig geblieben ist. Sie sind praktisch unverwüstlich, überstehen gewaltige Temperaturen oder Drücke und aggressivste chemische Lösungen. Alles was ursprünglich zusammen mit diesen Kristallen entstand, ist längst durch Verwitterung zermahlen und von der Plattentektonik ins Erdinnere zurückbefördert und dort aufgeschmolzen worden. Nur die Zirkone zeugen noch von den ersten der inzwischen 4,56 Milliarden Jahre Erdgeschichte. Gefunden hat man diese uralten Kristalle bisher nur an zwei Stellen im westaustralischen Outback: am Mount Narryer und in den Jack Hills. Beide sind eher unscheinbare Hügelketten in der inneraustralischen Halbwüste des Pilbara, doch wenn man weiß, wo man suchen soll, kann man dort bis in die früheste Jugend der Erde zurückschauen. Der älteste bisher entdeckte Zirkonkristall ist 4,406 Milliarden Jahre alt und damit schon 150 Millionen Jahre nach der Bildung des Planeten Erde entstanden.

Dank aufwendiger Untersuchungsmethoden können die Geowissenschaftler den winzigen Kristallen eine ganze Menge über die Zeit ihrer Entstehung entlocken. „Die Methoden haben sich in den vergangenen Jahren dramatisch verbessert und tun dies mit hohem Tempo immer noch“, erklärt Simon Wilde, Professor für Geologie an der Australischen Curtin Universität in Perth, „jedes Jahr können wir präzisere Messungen an immer geringeren Probenmengen durchführen.“ So können die Forscher inzwischen die Isotopenverteilung für eine Vielzahl von Elementen messen und das mit Geräten, die sich winzigste Teilbereiche der an sich schon winzigen Körner vornehmen können. Wilde selbst hat vor einigen Jahren unter anderem den 4,406 Milliarden Jahre alten Zirkon gefunden und dabei deutliche Hinweise entdeckt, dass es, als sich dieser Kristall nur 150 Millionen Jahre nach dem Entstehen der Erde bildete, bereits flüssiges Wasser und Kontinente gab. „Das haben uns erhöhte Gehalte des schweren Sauerstoffs 18O verraten”, so Wilde. Wie von fast allen Elementen gibt es auch von Sauerstoff unterschiedlich schwere Unterarten, die sich in der Zahl der Neutronen im Atomkern unterscheiden. Neben dem normalen 16O gibt es noch die schwere Variante 18O, die eigentlich nur einen Anteil von 0,2 Prozent am gesamten Sauerstoff hat. Verdunstet flüssiges Wasser aber, ist in dem noch flüssigen Rest mehr 18O enthalten, weil der häufigere, aber leichtere 16O schneller verdampft.

Hinweise auf frühe Kontinente

Die jetzt entdeckten Mikrodiamanten zeigen etwas anderes: „Im Endeffekt spricht das für eine Tektonik, die es ermöglicht, etwas von ganz oben in der Erdkruste nach unten in den Erdmantel zu bringen“, erklärt Thorsten Geisler, Assistent am Institut für Mineralogie in Münster, „ob das vergleichbar ist mit heutigen Subduktionsprozessen, ist noch ungeklärt, aber dass wir schon damals etwas vergleichbares haben, davon kann man ausgehen.“ Damit vor 4,252 Milliarden Jahren ein Diamant entstehen konnte, müssen damals zwei Krustenplatten miteinander kollidiert sein, sonst kann der nötige Druck nicht entstehen. „Es reicht nicht, dass ozeanische Platten zusammenstoßen, man braucht zwei Kontinentalplatten dafür“, erklärt Simon Wilde.

Plattentektonik und Kontinente gehören heute zum geologischen Alltag der Erdoberfläche. Heftig umstritten aber ist, seit wann es die Bewegung der Krustenplatten schon gibt, und wann zum ersten Mal in der Erdgeschichte Kontinente auftauchten. Bislang vorherrschend ist die Meinung, dass dies erst viel später, etwa vor 3,9 Milliarden Jahren der Fall war. „Man hat bisher nicht erwartet, dass vor 4,2 Milliarden Jahren Plattentektonik im heutigen Sinne schon aktiv war“, so Martina Menneken. Doch genau das das zeigen jetzt die von ihr entdeckten Diamanten.

Damit bekommt das bisherige Bild von der ganz frühen Erde einmal mehr einen Sprung. Denn Plattentektonik und Kontinente vertragen sich mit der hergebrachten Vorstellung einer höllischen Jungerde genauso wenig wie flüssiges Wasser, von dem die Zirkone zeugen. Das Hadaikum, wie dieses erste Zeitalter der Erdgeschichte genannt wird, hat mit dem griechischen Unterweltgott Hades entweder den falschen Namenspatron, oder es war nach einer vergleichsweise geringen Zeitspanne von vielleicht nur 150 Millionen Jahren schon zu Ende. Danach gab es flüssiges Wasser und kontinentale Gesteine, wenn man auch nicht erkennen kann, in welch großem Umfang. Natürlich war die Erdoberfläche damals völlig anders als sie heute ist. Denn auch wenn es Wasser und Kontinente gab, idyllisch war diese Erde nicht. „Das Erdinnere war heiß, viel heißer als es heute ist“, so Simon Wilde, „der Energiefluss in Richtung Oberfläche war ungefähr dreimal so hoch wie heute.“


Trotz Kontinenten und Wasser eher unwirtlich

Für diese gewaltige innere Hitze gab es nur den einen Weg, den es heute auch gibt: in Richtung Oberfläche und von dort über die Atmosphäre ins Weltall. Auch in der Gegenwart ist das der Motor, der die Plattentektonik antreibt und Vulkane ausbrechen lässt. Damals muss das wegen der größeren Energie in einem viel größeren Umfang geschehen sein als heute. „Man brauchte ein viel ausgedehnteres System von mittelozeanischen Rücken als heute, Berechnungen zeigen, dass es ungefähr 17 Mal so groß war“, so Wilde. An den mittelozeanischen Rücken tritt heute flüssiges Material aus dem Erdinneren aus, treibt dort die Krustenplatten auseinander und bildet neue ozeanische Kruste. Die Rücken laufen durch alle Weltmeere und haben eine Gesamtlänge von etwa 80.000 Kilometer. Ein Rückensystem von 1,5 Millionen Kilometer Länge hat die Erdoberfläche in ein System von unzähligen kleinen Platten zerteilt und entsprechend klein werden auch die ersten Kontinente gewesen sein. „Die Erdoberfläche wird wohl wie die eines Fußballs ausgesehen haben“, vermutet Simon Wilde, „zusammengesetzt aus vielen kleinen Flicken.“

In den kommenden Wochen wollen die Forscher aus Perth und aus Münster den Kohlenstoff der Diamant- und Graphiteinschlüsse in den Zirkonen genauer untersuchen. Denn Kohlenstoff ist ein ganz besonderes Element: es wird häufig als ein Indiz für Leben angesehen. Ebenso wie beim Sauerstoff gibt es beim Kohlenstoff verschieden schwere Varianten. Neben der instabilen, radioaktiven Variante 14C, gibt es den normalen 12C und den schwereren 13C, dessen Anteil bei 1,1 Prozent liegt. Wenn Zellen, ob mikrobiell, pflanzlich oder tierisch, Kohlenstoff für ihre Moleküle verwenden, bevorzugen sie die leichtere Variante und verringern den natürlichen Anteil an schwerem Kohlenstoff noch mehr. Analog wie ein erhöhter Anteil an schwerem Sauerstoff als Anzeichen für flüssiges Wasser dient, soll ein geringerer Anteil an schwerem Kohlenstoff als Hinweis auf Leben dienen. Unglücklicherweise ist es im Fall des Kohlenstoffs nicht so einfach, wie beim Sauerstoff. Denn neben der Aktivität von lebendigen Zellen gibt es noch abiotische Prozesse, die ebenfalls zu einer Verringerung des Anteils von schwerem Kohlenstoff führen. „Es ist eine schwierige Signatur”, gibt auch Simon Wilde zu, “aber trotzdem ist es einer der faszinierenden Dinge, denen wir in den kommenden Monaten nachgehen werden.“

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