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Erdgeschichte: Hades' Dynamik

Ein ungemütlicher Ort, die Erde ein chaotischer Feuerball, noch ohne Wasser und festes Land: So stellen sich Wissenschaftler die Frühzeit unseres Planeten vor. Die Zeichen mehren sich aber, dass doch schon bald eine gewisse geologische Ordnung herrschte - und sich sogar erste Erdplatten bewegten.
ZirkonLaden...
Der Hades: Ort der Toten und Unterwelt der griechischen Mythologie – kein besonders heimeliger Platz also für die dorthin Verbannten. Treffend ist es daher auch, dass die Geologen die erste Lebensphase der Erde nach seinem Namen auf Hadaikum tauften. Sie beginnt mit der Geburt des Planeten vor rund 4,6 Milliarden Jahren und endet 800 Millionen Jahre später, als sie vom Archaikum abgelöst wurde.

Anfangs rotierte unsere heutige Heimat als weißglühender Magmaklumpen um die Sonne – unter dem Trommelfeuer von Meteoriten und Asteroiden, die allerdings auch Masse und Umfang der Erde beständig vergrößerten. Mit einer Ausnahme: Rund hundert Millionen Jahre nach der Stunde Null der Erde kollidierte sie mit einem Protoplaneten, der ein großes Stück aus ihrem Körper schlug und dadurch den Mond schuf. Der Aufprall beschleunigte die Erdrotation derart, dass die häufigeren Tag-Nacht-Wechsel halfen, den Feuerball abzukühlen. Zugleich sanken die schwereren Elemente gen Erdkern, während die leichteren wie Silizium und Sauerstoff langsam Erdmantel und -kruste formten.

Fundstätte  und FundLaden...
Fundstätte und Fund | In den australischen Jack Hills finden sich einige der ältesten Mineralien der Erdgeschichte. Diese Zirkone (eingeklinktes Bild) beherbergen weitere mineralische Einschlüsse, die viel über ihre damaligen Entstehungsbedingungen verraten.
Langsam begann sich also die heutige Erde herauszubilden, jedoch überlebten nicht viele Zeugen aus dieser Zeit – zu extrem waren die Bedingungen, zu oft durchliefen die Gesteine der Erde den Kreislauf aus Schmelzen und Kristallisieren. Zum Glück für Geowissenschaftler wie Michelle Hopkins und ihre Kollegen von der University of California in Los Angeles überdauerten allerdings einige wenige, sehr zähe kleine Minerale die Äonen: Zirkone genannte Verbindungen aus Zirkonium und Silikat, wie sie in den australischen Jack Hills gefunden wurden.

Nur kurze Zeit höllisch?

Mit Hilfe dieser teilweise bis zu 4,2 Milliarden Jahre alten Zirkone belegten Geologen bereits, dass sich schon im Hadaikum eine feste Erdkruste und sogar Ozeane ausgebildet haben könnten – mehrere hundert Millionen Jahre früher als zuvor vermutet. Hopkins Team geht nun noch einen Schritt weiter: Nachdem sie rund 400 verschiedene Zirkone aus der damaligen Zeit geochemisch und physikalisch analysiert hatten, gehen sie davon aus, dass die Erdkruste damals nicht nur schon vorhanden, sondern auch bereits sehr dynamisch gewesen ist.

Drei Viertel der von den Forschern in den Zirkonen entdeckten Einschlüsse machten Muskovite und Quartze aus, die beide gleichermaßen häufig vorkamen. Sie bleiben in einem derartigen Umfeld jedoch nur bei Temperaturen unterhalb von 800 Grad Celsius und bei mehr als vier Kilobar Druck stabil. Die chemische Zusammensetzung der Muskovite und der ebenfalls nachgewiesenen Hornblenden grenzten die äußeren Bedingungen noch weiter ein. Demnach herrschten am Geburtsort der Zirkone etwa 700 Grad Celsius und mindestens 7 Kilobar Druck in der Gesteinsschmelze – Bedingungen, die sie sich selbst in der Extremwelt des Hadaikums wohl erst in Tiefen zwischen 10 und 30 Kilometern eingestellt haben dürften.

Geht man davon aus, dass die Gesteine auch damals eine durchschnittliche Leitfähigkeit von 2,5 Watt pro Meter und Kelvin besaßen, so lässt sich am Entstehungsort der Zirkone zudem ein Wärmefluss von etwa 75 Milliwatt pro Quadratmeter (mW/m2) berechnen. Er fällt damit etwas niedriger als der heutige Durchschnittswert der Erde und deutlich geringer als jene des Hadaikums und des Archaikums aus – diese rangieren zwischen 150 und 400 mW/m2.

Uralte Bewegung?

Während des Hadaikums heizte radioaktiver Zerfall dem Planeten jedoch noch dreimal so stark ein wie heute, zudem hat sich die Erde pro Milliarde Jahre um 50 bis 100 Kelvin abgekühlt. Die 75 mW/m2 dürften deshalb einen relativen Minimalwert für dieses Zeitalter bilden – im Normalfall lag er wohl mindestens dreimal so hoch. Die einzigen magmatischen Umwelten, die heute ein Drittel der durchschnittlichen globalen Wärmeströme ausmachen, finden sich allerdings nur an Subduktionszonen: Regionen, in denen die ozeanische Kruste in den Mantel abtaucht und zuvor den überragenden Keil der von ihr unterfahrenen Platte relativ abkühlt.

Die Zirkone stammten demnach aus Magma, die an Plattenrändern aufgeschmolzen wurde. Oder im Klartext: Schon vor mehr als vier Milliarden Jahren bewegte sich die Erdkruste aufgeteilt in einzelne Bruchstücke über den Planeten, tauchte ab oder kollidierte mit anderen Fragmenten festen Gesteins. Bestätigen sich die Ergebnisse von Hopkins und Co, wäre dies für Geologen jedenfalls ein Zeitsprung sondergleichen: Bislang datierten sie die erste Plattendrift auf die fast schon jugendliche Zeit vor 3,2 Milliarden Jahren.
48. Woche

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 48. Woche

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  • Quellen
Hopkins, M. et al.: Low heat flow inferred from >4 Gyr zircons suggests Hadean plate boundary interactions. In: Nature 456, S. 493–496, 2008.

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