Sedimentgestein „Hornstein“ dokumentiert die Abkühlung der Erde über Milliarden von Jahren

Vor mehreren Milliarden Jahren waren die Ozeane wahrscheinlich nicht so heiß wie oft angenommen, sondern hatten viel moderatere Temperaturen. Zu diesem Ergebnis kommt ein Forschungsteam der Universität Göttingen und des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ), Potsdam.

Die Wissenschaftler analysierten „Cherts“ – Sedimentgesteine, die sich aus Meerwasser und den Überresten von Lebewesen bilden, die Kieselsäure absondern. Anhand dieser „Zeitkapseln“ zeigte das Team, dass die Sauerstoffisotopenverhältnisse durch die Abkühlung der festen Erde bestimmt werden und weniger von den Temperaturen des Meerwassers abhängen. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht PNAS.

Wie kann es sein, dass alte Hornsteine ​​– zwischen 3,85 und 2,5 Milliarden Jahre alt – so stark mit dem leichteren Sauerstoffisotop (Sauerstoff-16 oder 16O) angereichert sind? Welche Informationen über die Geschichte unserer Erde speichern diese wertvollen Zeitkapseln eigentlich? Um diesem jahrzehntealten Geheimnis der Geowissenschaften auf den Grund zu gehen, untersuchte das Forscherteam etwa 550 Millionen Jahre alte Hornsteine ​​aus Südostchina.

Diese Proben dokumentieren, dass die amorphen Vorläufer von Hornsteinen nach der Ablagerung von Sedimentschlamm Hunderte von Metern unter der Erdoberfläche rekristallisieren und die Temperaturen in der Tiefe aufzeichnen – und nicht die Temperatur des Ozeans über ihnen. Dieser Befund löste die Idee aus, dass die Sauerstoffisotopenverhältnisse vom Wärmefluss aus dem Erdinneren abhängen könnten – ein völlig neuer Blickwinkel auf das alte Rätsel.

„Unsere Berechnungen zeigen, dass bei höherem Wärmefluss der Sauerstoff-16-Anteil höher wird, weil bei höheren Temperaturen eine Rekristallisation stattfindet“, sagt Juniorprofessor Michael Tatzel vom Zentrum für Geowissenschaften der Universität Göttingen. Gleichzeitig wird Meerwasser unter diesen Bedingungen mit Sauerstoff-16 angereichert.

Damit ist das Rätsel gelöst, warum es in alten Hornsteinen einen großen Anteil des leichteren Sauerstoffisotops gibt: Der Wärmefluss auf der frühen Erde war etwa doppelt so hoch wie heute. „Cherts sind offensichtlich keine genauen Temperaturschreiber von Meerwasser in der Vergangenheit. Unsere Ergebnisse erfordern eine völlig neue Interpretation von Sauerstoffisotopen in Hornsteinen“, sagt Tatzel.

Co-Autor Patrick Frings vom GFZ Potsdam fügt hinzu: „Ich denke, diese Arbeit wird die Tür zu einigen spannenden neuen Entwicklungen in den kommenden Jahren öffnen, da unser Verständnis des Wärmeflusseffekts genauere Rekonstruktionen der Meerwassertemperaturen in tiefen geologischen Zeiten ermöglichen wird. Darüber hinaus werden wir in der Lage sein, die thermische Struktur und die tektonische Geschichte alter Sedimentbecken zu entschlüsseln.“

Der berechnete Effekt des Wärmeflusses auf Sauerstoffisotope in Hornsteinen bedeutet auch, dass die isotopenhellen archaischen Hornsteine ​​auf ein gemäßigtes bis warmes Klima auf der frühen Erde hindeuten – heiße Ozeane scheinen sehr unwahrscheinlich. Diese Schlussfolgerung ist zentral für das Verständnis der Evolution des Lebens auf der jungen Erde.