Gesteinsproben aus dem Pazifik geben Einblick in die aktive Erde vor 2,5 Milliarden Jahren

In der Geowissenschaft können kleine Details dabei helfen, gewaltige Ereignisse zu erklären. Rita Parai, Assistenzprofessorin für Erd-, Umwelt- und Planetenwissenschaften in Arts & Sciences an der Washington University in St. Louis, misst mit Präzisionsgeräten Spuren von Edelgasen in Gesteinen, Proben, die wichtige Einblicke in die Planetenentwicklung liefern können.

In einer Studie veröffentlicht In Briefe zur Erd- und PlanetenwissenschaftParai und die Doktorandin Judy Zhang nutzten Messungen von Edelgasen aus Vulkangestein der Cook- und Australinseln, um zu zeigen, dass die Plattentektonik seit mehr als 2,5 Milliarden Jahren Gase von der Oberfläche in die Tiefen der Erde transportiert.

Edelgase sind für Tiefenuntersuchungen besonders hilfreich, da sie chemisch inert sind. Einige ihrer Isotope seien vor 4,5 Milliarden Jahren, als die Erde entstand, im Inneren gefangen, sagte Zhang. „Sie hinterlassen einen bleibenden Eindruck in den Felsen.“

In Parais Labor konnte Zhang mehrere Edelgaselemente und ihre Isotope messen, darunter das seltene Element Xenon. Das Muster der Edelgashäufigkeiten und ihre charakteristischen Isotopensignaturen erzählten eine wichtige Geschichte, sagte Zhang.

Wie Zhang erklärte, wurden die Gesteine ​​der Cook-Austral-Insel durch Vulkanausbrüche aus der Tiefe des Erdmantels an die Erdoberfläche befördert. Die charakteristischen Edelgase in den Gesteinen zeigten, dass tektonische Platten tief in der Vergangenheit relativ kühl waren, als sie vor etwa 2,5 Milliarden Jahren der Subduktion unterzogen wurden – dem Prozess, bei dem Oberflächengestein in den Erdmantel absinkt.

Einige Forscher stellten die Theorie auf, dass der Planet damals viel heißer und rauer gewesen sein könnte als die Welt, die wir heute kennen. Das Vorhandensein von Xenon zeigt, dass die Subduktion unter geologischen Bedingungen stattfand, die denen der Neuzeit ähneln. „Wenn das Gestein bei viel höheren Temperaturen subduziert worden wäre, hätte es alle seine Gase verloren“, sagte Zhang. „Das ist eine sehr aufregende Erkenntnis.“

Der Nachweis von Xenonatomen ist nicht wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen; Es ist, als würde man eine mikroskopisch kleine Nadel in einem ganzen Heufeld finden. Edelgase kommen in Gesteinen bereits selten vor, und Xenon, das antike Plattentektoniken nachweisen kann, ist um ein Vielfaches schwieriger zu finden. „Auf jedes Gramm Material kommen nur etwa 100.000 Xenonatome“, sagte Parai. Das ist etwa 1 von 10 Billiarden Atomen.

Um das schwächste Signal zu erhalten, mussten die Forscher Gas aus großen Mengen des Minerals Olivin in diesen Gesteinen extrahieren. „Es ist, als würden wir herausfinden, wie man Blut aus einem Stein presst“, sagte Parai.

Im vergangenen Dezember sammelte Zhang während einer 28-tägigen Forschungskreuzfahrt im Südpazifik unter der Leitung von Doug Wiens, dem Robert S. Brookings Distinguished Professor, weitere Gesteinsproben vom Meeresboden. Die Analyse der Gesteine ​​in Parais Labor soll noch mehr Einblicke in die tiefe Vergangenheit der Erde liefern. „Wir erweitern die Grenzen der Analyse und blicken Milliarden von Jahren zurück“, sagte Zhang.