30. Apr. 2020
Schnitt durchs Erdinnere vor Beginn der Plattentektonik.

Schnitt durchs Erdinnere vor Beginn der Plattentektonik.

Die Erde ist bislang der einzige uns bekannte Planet mit einer aktiven Oberfläche, die durch die Plattentektonik andauernd umgestaltet wird. Auf die Frage jedoch, wann die Plattentektonik ihre Konvektionswalzen angeworfen und hat, gibt es bislang keine wirklich überzeugende Antwort. Geowissenschaftler aus den USA präsentieren jetzt in "Science Advances" Indizien für einen ziemlich frühen Beginn schon im Mittleren Archaikum.

Nur noch an wenigen Stellen der Erdoberfläche sind Gesteine aus der Frühzeit des Planeten erhalten. "Rund fünf Prozent sind älter als drei Milliarden Jahre", erklärt der Geologie-Postdoc Alec Brenner von der US-Universität Harvard. Brenner hat am Gestein von einer dieser Fundstellen starke Indizien für Kontinentaldrift gefunden, und das im Mittleren Archaikum vor rund 3,2 Milliarden Jahren. "Der Pilbara-Kraton hat sich damals mit einer Geschwindigkeit von rund 2,5 Zentimeter pro Jahr über die Erdoberfläche bewegt", so Brenner auf einer Telefonkonferenz von "Science Advances", in dem er und sein Chef Roger Fu zusammen mit Kollegen der Universitäten Yale, Berkeley und Michigan, ihre Ergebnisse publizierten. "Das ist das älteste Beispiel von Plattentektonik, das wir kennen", so Brenner, "und die Geschwindigkeit ist ungefähr mit der vergleichbar, mit der sich heutzutage die Krustenplatten bewegen."

Mitautor Roger Fu am Honeyeater Basalt im westaustralischen Pilbara.

Mitautor Roger Fu am Honeyeater Basalt im westaustralischen Pilbara.

Bild: Science Advances/Alec Brenner
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Mitautor Roger Fu am Honeyeater Basalt im westaustralischen Pilbara.

Bild: Science Advances/Alec Brenner

Geologische Karte des westaustralischen Pilbara. Die Basalte sind grün eingefärbt.

Bild: Science Advances/Alec Brenner

Die Erde ist der einzige Planet mit einer beweglichen Oberfläche aus vielen mehr oder weniger großen Krustenplatten. Viel spricht nach Ansicht von Geowissenschaftlern dafür, dass die Plattentektonik, die diese Krustenplatten über die Oberfläche bewegt, zu einem großen Teil die Bedingungen schafft, unter denen das Leben auf der Erde aufblühte. Die Frage, wann dieser Mechanismus einsetzte, ist allerdings weiterhin offen. Klar ist, dass die ganz junge Erde zu heiß war, um die raumgreifenden Konvektionsströme zuzulassen, die den Motor der Plattentektonik darstellen. Irgendwann aber müssen diese sich etabliert haben, und es gibt eine ganze Reihe von Vorschlägen dafür, wann dieser Zeitpunkt gekommen war. Das Problem: Die möglichen Anfangspunkte der Plattentektonik decken einen Zeitraum von vor 600 Millionen bis vor 4,2 Milliarden Jahren ab, mit anderen Worten den Großteil der Erdgeschichte.

Magnetisierung verrät Positionsänderung der Krustenblöcke

Der Pilbara-Kraton in Westaustralien ist eine der wenigen Stellen, die die Geowissenschaftler für die Klärung dieser Frage heute noch aufsuchen können. Alec Brenner und Roger Fu haben in einer bestimmten Basaltschicht, dem Honeyeater Basalt, 235 Bohrkerne gezogen und ihre ursprüngliche Magnetisierung untersucht. Der Basalt deckt einen Zeitraum von vor 3,192 bis 3,176 Milliarden Jahren ab. "Wenn wir die Magnetisierung der Proben messen, erhalten wir eine Vorstellung davon, wo sie entstanden sind und können daraus die Drift der Krustenblöcke ablesen", so Brenner. Der Honeyeater Basalt wird von vielen Geowissenschaftlern als Rest eines damaligen Grabenbruchs interpretiert. Ein solcher Grabenbruch aber ist der Beginn einer tektonischen Zelle, weil an ihm Krustenplatten durch aufwallendes Magma auseinandergedrückt werden.

Winzige Eisenoxid-Körner im erstarrenden Magma haben die Ausrichtung der Magnetfeldlinien der damaligen Zeit konserviert, und zwar nicht nur ihre Ausrichtung, sondern auch ihren Winkel, aus dem man die geographische Breite zum Zeitpunkt der Erstarrung ablesen kann. "Der Honeyeater Basalt befand sich damals ungefähr auf dem 45. Breitengrad, während er heutzutage auf dem 21. Breitengrad liegt", so Alec Brenner. Für Ihre Kontinentaldrift-Suche zogen die Forscher noch zwei weitere Magnetfelduntersuchungen an Gesteinen heran, die zeitlich vor und nach dem Honeyeater Basalt liegen. So kamen sie auf einen Beobachtungszeitraum von insgesamt 180 Millionen Jahren, der Teile des Frühen und des Mittleren Archaikums abdeckt. Anhand der sich ändernden Magnetfeldspuren konnten Brenner, Fu und ihre Kollegen schließlich die Bewegung des Basalts über die Erdoberfläche nachvollziehen.

Ausmaß der Plattentektonik bleibt unbekannt

Die Forscher haben ihre Informationen mit einem extrem feinen Mikroskop gewonnen, dem Quanten-Diamanten-Mikroskop, zu dessen Entwicklern Roger Fu gehört. Es nutzt die Empfindlichkeit eines Diamantplättchens mit gezielt geändertem Kristallgitter für magnetische Veränderungen, um selbst winzigste Proben zu bestimmen. Damit konnten Brenner und Fu sogar erkennen, dass die Magnetfeldspuren nicht im Inneren der Eisenoxid-Körner gespeichert sind, sondern in einer Schicht, die sich wie eine Hülle um die Partikel gelegt hatte, nachdem das Magma mit Wasser in Berührung gekommen war.

Nichts haben die Proben allerdings darüber zu sagen, wie weit verbreitet das Phänomen auf der jungen Erde war. Der Pilbara-Kraton könnte als Beispiel für eine bereits zu diesem frühen Zeitpunkt tektonisch weit ausdifferenzierte Erde stehen, deren Mechanismen den heutigen verblüffend ähnlich waren. Er könnte aber auch die Ausnahme in einem ansonsten noch völlig anders funktionierenden Planeten darstellen, sozusagen die Keimzelle der modernen Erde. Aufschluss darüber können nur Untersuchungen an anderen Gesteinszeugen aus dieser Zeit bringen. Genau das hat das Team in Zukunft auch vor. Sie werden Bodenproben vom ungefähr gleich alten Kapvaal-Kraton in Südafrika genau auf die paläomagnetischen Spuren hin untersuchen, die sie im Pilbara ausgemacht haben. Dann könnte man auch mehr darüber erfahren, ob die beiden Kontinentalkeime tatsächlich im Mittleren Archaikum Teil einer Landmasse waren, des ersten Superkontinents Vaalbara.