Erkenntnisse zur frühen Erde

Die Erde bildete sich vor 4,6 Milliarden Jahren, aber es ist schwierig, Hinweise auf ihre frühe Zusammensetzung und Entwicklungsgeschichte zu finden, da sich die Erdkruste und der darunter liegende Erdmantel durch Schmelz- und Umwandlungsprozesse kontinuierlich verändert haben. Ambre Luguet von der Universität Bonn wendete neue Verfahren zur Isotopendatierung an, um mehr über die ersten 750 Millionen Jahre unseres Planeten zu erfahren – insbesondere darüber, inwiefern der Erdmantel Informationen zur Bildung der Erdkruste liefern kann.

Die Erdkruste, die äußerste Schicht des Planeten, bildete sich durch eine Teilschmelze des inneren Silikatmantels, der als Reservoir für die Krustenbildung zur Verfügung steht. Unser begrenztes Wissen über den Zeitpunkt und das Ausmaß der frühen Krustenbildung stammt aus der Isotopenanalyse des Zirkons, das in Krustenmineralien zu finden ist. Diese Mineralien wurden mit der Zeit umgewandelt, und bilden nun deutlich jüngeres Gestein – doch die in ihnen enthaltenen Isotopen liefern Aufschluss über ihr Alter und ihre Herkunft. „Die ältesten Mineralien, die man auf der Erde gefunden hat, sind ganze 4,36 Milliarden Jahre alt“, sagt Luguet. Durch die zahlreichen Meteoriten, die auf der jungen Erde einschlugen, könnten jedoch viele der früh gebildeten Teile der Erdkruste zerstört worden sein, erklärt sie.

Was ist jedoch mit dem darunterliegenden Erdmantel? „Da die Erdkruste aus dem Erdmantel hervorgeht, ist es sinnvoll, die erste Krustenbildung aus der Perspektive des Mantels zu untersuchen“, so Luguet. Anstatt Isotopen in Zirkon-Mineralien zu untersuchen, hat sie sich mit osmiumreichen Legierungen, Osmium tragenden Platinmineralien und Sulfiden wie Erlichmanit (OsS2-Osmium-Sulfid) beschäftigt, die sie als „Zirkone des Erdmantels“ bezeichnet.

Hochmoderne Isotopendatierung

Luguet führte an Legierungen, Platinmineraliengruppen und Sulfiden aus den ältesten Mantelgesteinen, die aus Botswana und Südafrika stammen und als Peridotite bekannt sind, sowie am ältesten aus Grönland stammenden Mantelgestein, den sogenannten Chromititen, hochmoderne Isotopendatierungen durch. Die Isotopendatierung basiert auf dem radioaktiven Zerfall des Isotops Rhenium-187 in Osmium-187 und Platin-190 in Osmium-186. „Die nach der Teilschmelze im Mantel zurückbleibenden Sulfide und Platinmineraliengruppen sind in Osmium stark konzentriert, in Rhenium jedoch abgereichert. Somit entspricht die isotopische Signatur Osmium-187/Osmium-188 direkt einer Teilschmelzepoche“, erläutert Luguet.

Luguet sagt, das Neue an ihrem Verfahren sei die Größe der mineralischen Körner, die sie analysieren kann. „Zum ersten Mal konnten wir die Isotopenzusammensetzung in Sulfidpartikeln messen, deren Größe weniger als 20 Mikrometer beträgt. Bisher wandten andere Forscher Laserablation an, die zwar schnell durchgeführt werden kann, jedoch Partikel von einer Größe von mindestens 80–100 Mikrometer erfordert. Stattdessen haben wir das Sulfidkorn mithilfe eines Mikroextraktionsansatzes aus seinem Wirtsgestein extrahiert, bei dem ein Ring um das Sulfid gebohrt wird, aus dem man das Sulfid anschließend entfernt.“ Durch das neue Verfahren können einige der Messabweichungen vermieden werden, die auftreten, wenn nur größere Körper analysiert werden, so dass man die tatsächliche Komplexität und Heterogenität der Isotopenzusammensetzungen erproben kann, was letztendlich zu genaueren Schlussfolgerungen führt.

Erhaltene Signaturen der Teilschmelze

„Wir haben festgestellt, dass der Erdmantel in seinen osmiumreichen Mineralien die Signaturen von Teilschmelzen bewahrt, wobei die älteste vor 4,38 Milliarden Jahren stattfand“, erläutert Luguet. Diese Zahl entspricht der ältesten Krustenbildung, die innerhalb der Zirkonisotopendaten aufgezeichnet wurde. Luguet fügt hinzu, dass das, was sie als „genetische“ Mutter-Tochter-Beziehung zwischen der Teilschmelze des Erdmantels und der Krustenbildung bezeichnet, für Proben, die jünger als 3,8 Milliarden Jahre waren, bekannt war: „Nun haben wir gezeigt, dass diese Beziehung auch schon wenige hundert Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde bestand.“

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