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Geochemie: Steinerner Zeuge aus Kindheitstagen der Erde

Baffin Island
Angesichts der ständigen Bewegung, Umwälzung und des Gesteinsrecyclings in Erdkruste und Erdmantel scheint es kaum vorstellbar, dass sich irgendwo auf unserem Planeten noch Milliarden Jahre alte Reste des Ausgangsmaterials finden. Doch in der kanadischen Arktis wurden Forscher fündig.

Seit die Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren aus der Kollision von mehreren Brocken im jungen Sonnensystem entstand, hat sie eine wechselvolle Geschichte durchlaufen. Mit der Abkühlung kam die Auftrennung in verschiedene Schichten von Kern, Mantel und Kruste, die bis heute jeweils ein gewisses Eigenleben führen. Auch veränderte sich die chemische Zusammensetzung: Gase entwichen, radioaktive Elemente zerfielen, Schmelzen differenzierten sich in unterschiedliche Typen.

Ein Hinweis auf Zeugen aus frühen Tagen ist ein hohes Verhältnis der Heliumisotope 3He zu 4He: Während letzteres durch radioaktiven Zerfall immer wieder nachgeliefert wird, entweicht ersteres ohne Nachschub. Je größer also der Quotient, desto unverfälschter das Gestein.

Die höchsten bekannten Verhältnisse finden sich in den etwa 60 Millionen Jahre alten Laven von Baffin Island in der kanadischen Arktis und Westgrönland. Wie Matthew Jackson von der Boston University und seine Kollegen nun anhand des Verhältnisses der Eisenisotope feststellten, muss das Mantelreservoir, das einst als Quelle für die Laven diente, 4,45 bis 4,55 Milliarden Jahre alt und seitdem unbeeinflusst geblieben sein. Weitere Messungen der Neodymisotope bestätigen diese Schlussfolgerung.

Baffin Island | Auf Baffin Island finden sich Gesteine, der Heliumisotope darauf hindeuten, dass sie aus sehr alten Mantelreservoiren stammen.
Damit ergibt sich zum einen die erstaunliche Erkenntnis, dass es tief im Erdmantel trotz aller Konvektion über die Jahrmilliarden noch Bereiche gibt, die davon unberührt blieben – der Erdmantel also nicht im Ganzen umgewälzt wird. Und zum Zweiten deuten insbesondere die Neodymwerte darauf hin, dass es bereits in der frühesten Phase der Erdentstehung eine erste Differenzierung in der Schmelze gegeben haben könnte – denn die Messdaten weichen etwas von denen an Chondriten ab. Diese ursprünglichen Meteoriten gelten jedoch als Referenz für die Zusammensetzung der Gesteinsbrocken, aus denen sich die Planeten durch Kollision bildeten.

Wie Mitautor Richard Carlson von der Carnegie Institution erläutert, soll es demnach auf der jungen Erde einen globalen Magmaozean gegeben haben, in dem eine erste Erdkruste entstand – noch vor jener, die heute die äußerste Erdhülle bildet. Diese wäre aber auf Grund ihres hohen Eisengehaltes abgesunken bis zur bereits bestehenden Mantel-Kern-Grenze, wo sie zumindest in Resten bis heute mit der ihr eigenen Elementzusammensetzung noch erhalten sei. Seismologische Untersuchungen des Unteren Mantels unterstützten dieses Modell: Im südlichen Pazifik und unter Afrika gebe es offenbar geschmolzene Bereiche, die sich in der Chemie vom Rest des Erdmantels unterscheiden. Sie wären Kandidaten für solche alten Mantelreservoire. (af)

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  • Quellen
Jackson, M.G. et al.: Evidence for the survival of the oldest terrestrial mantle reservoir. In: Nature 466, S. 853–856, 2010.

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