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Erdmantel „atmete“ Sauerstoff eine Milliarde Jahre vor dem Anstieg in der Atmosphäre
Schon lange vor der dauerhaften Anreicherung von Sauerstoff in der Atmosphäre wiesen Teile des Erdmantels oxidierende Bedingungen auf. Das zeigen chemische Signaturen in bis zu 3,4 Milliarden Jahre alten Mineralen. Sie sprechen dafür, dass bereits damals verändertes Oberflächenmaterial in tiefere Gesteinsschichten gelangte, möglicherweise durch eine frühe Form der Subduktion.
Portsmouth (England). Vor rund 2,3 bis 2,2 Milliarden Jahren stieg der Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre dauerhaft an. Zuvor waren Luft und Ozeane weitgehend sauerstoffarm. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass sich schon viel früher örtlich begrenzte Mengen oxidierender Stoffe bildeten und Gestein an der Oberfläche chemisch veränderten.
Ob solche Prozesse damals bereits das tiefe Erdinnere erreichten, war unklar. Heute transportieren absinkende Erdplatten Krustenmaterial in den Erdmantel. Wann dieser Austausch zwischen Erdoberfläche und Mantel begann, lässt sich aus dem stark veränderten Urgestein aber nur schwer ablesen.
Forscher der University of Portsmouth um Dr. Hugo Moreira haben nun Gesteine untersucht, deren Mineralbestandteile Spuren des damaligen Oxidationszustands bewahren. Das internationale Team wollte klären, wie weit der chemische Einfluss der Erdoberfläche in der Frühzeit bereits in die Tiefe reichte.
Dazu analysierten die Wissenschaftler sogenannte Sanukitoide, besondere magmatische Gesteine aus dem Einflussbereich von Kruste und Erdmantel. Die Proben stammen aus Australien, Finnland, Südafrika, Brasilien und Schottland und entstanden in sehr unterschiedlichen Erdzeitaltern. In ihren Zirkonkristallen sind mitunter winzige Apatite eingeschlossen, die vor späteren chemischen Veränderungen vergleichsweise gut geschützt sind.
„Diese Minerale begeistern Forscher, weil sie gewissermaßen Zeitkapseln sind“, erklärt Dr. Hugo Moreira.
Das Alter der Zirkone ermittelte das Team durch Uran-Blei-Datierungen. Am Synchrotron in Grenoble wurde anschließend mit fein gebündelter Röntgenstrahlung gemessen, in welchen chemischen Formen Schwefel in den Apatiten vorliegt. Aus dem Anteil stark oxidierten Schwefels lässt sich erschließen, wie oxidierend das Magma bei der Bildung der Minerale war.
Für den zeitlichen Vergleich nutzten die Forscher Messungen an 39 eingeschlossenen Apatitkristallen sowie Daten zu 14 weiteren Einschlüssen aus einer früheren Studie. Alle diese Minerale stammen aus demselben charakteristischen Gesteinstyp. Dadurch lässt sich seine chemische Entwicklung über Milliarden Jahre hinweg vergleichen, ohne unterschiedliche Ausgangsgesteine gleichsetzen zu müssen.
„Wir vergleichen Gleiches mit Gleichem über Milliarden Jahre, statt unterschiedliche Belegarten zu verbinden“, erklärt Moreira.
Die chemischen Signaturen zeigen, dass der von den Sanukitoiden erfasste Mantelbereich bereits vor 3,4 Milliarden Jahren stärker oxidiert war als der sonstige obere Erdmantel. Zwischen 3,4 und 3,0 Milliarden Jahren nahm die aus den Mineralen abgeleitete Sauerstoff-Fugazität deutlich zu. Dieser Fachbegriff beschreibt die oxidierenden Bedingungen eines Systems, nicht unmittelbar die Menge an frei verfügbarem Sauerstoffgas.