Zeugen aus der Frühzeit der Erde

Wie genau ist die Erde im tiefsten Inneren zusammengesetzt? Diese Frage versuchen Erdwissenschaftlerinnen und Erdwissenschaftler mit ausgekl¨¹gelten Verfahren zu beantworten. Mit Hilfe von seismischen Wellen beispielsweise rekonstruieren sie die Strukturen im Erdinnern, was R¨¹ckschl¨¹sse ¨¹ber die Dynamik des Geschehens und damit indirekt auch ¨¹ber die Zusammensetzung der Gesteine erlaubt.

An einigen Stellen gibt es auch Zeugen an der Erdoberfl?che, die ¨¹ber den tiefen Erdmantel direkt Auskunft geben. So weiss man beispielsweise aufgrund der erw?hnten seismischen Daten, dass das Lavamaterial von bestimmten Vulkaninseln wie beispielsweise Hawaii aus sehr grossen Tiefen stammen muss. ?ber lange Zeit stieg es als heisse Blase aus den untersten Bereichen des Erdmantels, nahe der Grenze zum Erdkern, bis an die Erdoberfl?che auf.

Die Kombination hilft weiter

Die chemische Analyse dieser vulkanischen Gesteine erlaubt zwar R¨¹ckschl¨¹sse, wie der Erdmantel zuunterst aufgebaut ist. Doch die Sache hat einen Haken: Die ?ltesten dieser Vulkaninseln sind gerade mal 150 Millionen Jahre alt, also noch relativ jung. Will man alleine mit diesen Gesteinen die Entwicklung des tiefen Erdmantels ¨¹ber die letzten 4,5 Milliarden Jahre zur¨¹ckverfolgen, kommt man nicht weit.

Gl¨¹cklicherweise gibt es eine weitere Quelle, die Licht in diese Angelegenheit bringt: Sogenannte Kimberlite stammen gr?sstenteils ebenfalls aus den untersten Schichten des Erdmantels. Und sie sind wesentlich ?lter als die Basalte der Vulkaninseln. Die ?ltesten Kimberlite sind mehr als 2 Milliarden Jahre alt, und man findet sie vor allem auf den alten Kernen der Kontinente.

Sehr lange Halbwertszeiten

SNF Ambizione Fellow Andrea Giuliani und Postdoktorand Angus Fitzpayne vom Departement Erdwissenschaften haben nun zusammen mit Kollegen aus den USA und Australien Daten ¨¹ber die Zusammensetzung Kimberliten zusammengetragen und mit eigenen Messdaten erg?nzt. Dabei konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Isotope der drei Elemente Strontium, Neodym und Hafnium. Diese drei Elemente erlauben es, die Zusammensetzung des Ursprungsmaterials dieser Gesteine w?hrend der gesamten Geschichte der Erde zu rekonstruieren, da die radioaktiven Isotope dieser Elemente sehr lange Halbwertszeiten haben.

Mit den Daten konnten Giuliani und seine Kollegen zeigen, dass Kimberlite und die Basalte der Vulkaninseln das gleiche Ausgangsmaterial haben. Damit konnten sie auch eine Frage kl?ren, ¨¹ber die sich Geologen seit l?ngerem uneins sind. W?hrend die einen Geologen postulieren, dass es sich um altes Material aus den Anf?ngen der Erde handeln muss, denken andere, dieses Material w?re erst sp?ter durch Umw?lzungen im Erdmantel entstanden.

?hnlichkeit mit chondritischen Meteoriten

Die Forscher haben nun basierend auf den Daten hochgerechnet, welche Isotopenzusammensetzung die untersuchten Gesteine vor 4,5 Milliarden Jahren hatten. Dabei kommen sie zum Schluss, dass das urspr¨¹ngliche Material in den Gesteinen eine ?hnliche Zusammensetzung gehabt haben muss wie die chondritischen Meteorite, aus denen die Erde entstand. Das heisst: Im untersten Bereich des Erdmantels gibt es also tats?chlich unver?ndertes Material aus der Anfangszeit der Erde.

Giuliani r?umt ein, dass die Resultate, die k¨¹rzlich in der Fachzeitschrift externe Seite PNAS publiziert wurden, noch etwas spekulativ sind. ?Die ?ltesten von uns ber¨¹cksichtigten Gesteine sind rund 2 Milliarden Jahre alt?, erkl?rt er. ?Deshalb ist unser Sch?tzung noch etwas unsicher.? Der Forscher m?chte in einem n?chsten Schritt weitere und ?ltere Kimberlite sowie weitere Gesteinstypen in seine Analyse einbeziehen, um unser Bild vom unteren Erdmantel weiter zu sch?rfen.