Früheste geochemische Beweise für Plattentektonik in 3,8 Milliarden Jahre altem Kristall gefunden

Eine Handvoll alter Zirkonkristalle, die in Südafrika gefunden wurden, enthalten die ältesten Beweise für Subduktion, ein Schlüsselelement der Plattentektonik, laut einer neuen Studie, die heute in veröffentlicht wurde AGU Fortschritte.

Diese seltenen Zeitkapseln aus der Jugend der Erde weisen auf einen Übergang vor etwa 3,8 Milliarden Jahren von einer langlebigen, stabilen Gesteinsoberfläche zu den aktiven Prozessen hin, die unseren Planeten heute formen, und geben einen neuen Hinweis in einer heißen Debatte darüber, wann die Plattentektonik eingesetzt hat Bewegung.

Die Erdkruste und die oberste Schicht des Mantels direkt darunter sind in starre Platten zerbrochen, die sich langsam auf den viskosen, aber beweglichen unteren Schichten des Mantelgesteins bewegen. Wärme aus dem Erdkern treibt diese langsame, aber unaufhaltsame Bewegung an, die für Vulkane, Erdbeben und die Anhebung von Gebirgszügen verantwortlich ist.

Schätzungen darüber, wann dieser Prozess in Gang kam und sich moderne Krusten bildeten, reichen von vor über 4 Milliarden Jahren bis vor nur 800 Millionen Jahren. Unsicherheit entsteht, weil die geologischen Aufzeichnungen aus der Jugend der Erde aufgrund des Oberflächenrecycling-Effekts der Plattentektonik selbst spärlich sind. Vom Hadäischen Zeitalter, den ersten 500 Millionen Jahren der Erde, ist fast nichts übrig geblieben.

„Die Hadäische Erde ist diese große Rätselkiste“, sagte Nadja Drabon, Geologin an der Harvard University und Hauptautorin der neuen Studie.

Winzige Zeitkapseln

In einem spannenden Schritt zur Lösung dieses Rätsels haben Drabon und ihre Kollegen 2018 eine chronologische Serie von 33 mikroskopisch kleinen Zirkonkristallen aus einem seltenen, alten Krustenblock im Barberton Greenstone Belt in Südafrika ausgegraben, die sich zu unterschiedlichen Zeiten über einem kritischen Zeitraum gebildet haben 800 Millionen Jahre Spanne von vor 4,15 bis 3,3 Milliarden Jahren.

Zirkon ist ein relativ häufiges Begleitmineral in der Erdkruste, aber antike Vertreter aus dem Hadäischen Zeitalter vor 4 bis 4,56 Milliarden Jahren sind äußerst selten und werden nur an 12 Orten auf der Erde gefunden, und normalerweise in einer Anzahl von weniger als drei an jedem Ort.

Hafniumisotope und Spurenelemente, die in den Zirkonen des Grünsteingürtels aufbewahrt werden, erzählten eine Geschichte über die Bedingungen auf der Erde zum Zeitpunkt ihrer Kristallisation. 3,8 Milliarden Jahre alte und jüngere Zirkone schienen sich in Gestein gebildet zu haben, das Druck und Schmelzen ausgesetzt war, ähnlich wie moderne Subduktionszonen, was darauf hindeutet, dass die Kruste begonnen haben könnte, sich zu bewegen.

„Wenn ich Plattentektonik sage, beziehe ich mich speziell auf eine Bogeneinstellung, wenn eine Platte unter eine andere geht und Sie all diesen Vulkanismus haben – denken Sie zum Beispiel an die Anden und den Feuerring“, sagte Drabon und beschrieb a klassisches Beispiel für Subduktion.

„Bei 3,8 Milliarden Jahren gibt es eine dramatische Verschiebung, bei der die Kruste destabilisiert wird, sich neues Gestein bildet und wir sehen, dass geochemische Signaturen immer mehr denen ähneln, die wir in der modernen Plattentektonik sehen“, sagte Drabon.

Im Gegensatz dazu bewahrten die älteren Zirkone Beweise für eine globale Kappe aus „Protokruste“, die aus umschmelzendem Mantelgestein stammt, das 600 Millionen Jahre lang stabil geblieben war, fand die Studie.

Zeichen des globalen Wandels

Die neue Studie fand einen ähnlichen Übergang zu Bedingungen, die einer modernen Subduktion in Zirkonen von anderen Orten auf der ganzen Welt ähneln, die innerhalb von etwa 200 Millionen Jahren von den südafrikanischen Zirkonen stammen.

„Wir sehen Hinweise auf eine signifikante Veränderung auf der Erde vor etwa 3,8 bis 3,6 Milliarden Jahren, und die Entwicklung in Richtung Plattentektonik ist eine klare Möglichkeit.“ Sagte Drabon.

Obwohl nicht schlüssig, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass möglicherweise eine globale Veränderung begonnen hat, sagte Drabon, die möglicherweise an verstreuten Orten beginnt und stoppt, bevor sie sich in den effizienten globalen Motor der sich ständig bewegenden Platten einfügt, den wir heute sehen.

Die Plattentektonik formt sowohl die Erdatmosphäre als auch ihre Oberfläche. Die Freisetzung vulkanischer Gase und die Produktion von neuem Silikatgestein, das große Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre verbraucht, mildern große Temperaturschwankungen durch zu viel oder zu wenig Treibhausgas.

„Ohne all das Recycling und die Bildung neuer Krusten könnten wir zwischen kochender Hitze und eisiger Kälte hin und her gehen“, sagte Drabon. „Das ist so etwas wie ein Thermostat für das Klima.“

Plattentektonik wurde bisher nur auf der Erde beobachtet und könnte wesentlich sein, um einen Planeten bewohnbar zu machen, sagte Drabon, was die Ursprünge der Plattenbewegungen für die Erforschung der frühen Entwicklung des Lebens interessant macht.

„Die Aufzeichnungen, die wir für die früheste Erde haben, sind wirklich begrenzt, aber nur einen ähnlichen Übergang an so vielen verschiedenen Orten zu sehen, macht es wirklich möglich, dass es sich um eine globale Veränderung der Krustenprozesse gehandelt haben könnte“, sagte Drabon. „Auf der Erde fand eine Art Umstrukturierung statt.“