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Erdkruste ist wohl schon vor 3,95 Milliarden Jahren tief abgesunken
Aus der Frühzeit der Erde sind kaum Gesteine erhalten, die ihre ursprüngliche Entstehungsgeschichte bewahrt haben. Ein 3,95 Milliarden Jahre alter Gneis aus Nordchina enthält nun chemische Spuren von Kruste, die zunächst nahe der Oberfläche verändert und anschließend tief versenkt wurde. Dies könnte auf eine frühe, zeitweise Form der Subduktion hindeuten.
Peking (China). Wann begann die Erdkruste, sich in bewegliche Platten zu gliedern und an ihren Rändern in den Erdmantel abzutauchen? Diese Frage gehört zu den großen Rätseln der Erdgeschichte, weil fast alle Gesteine aus der ersten halben Milliarde Jahre unseres Planeten längst umgewandelt oder zerstört sind. Mit ihnen verschwanden auch viele Spuren der ersten Krustenbewegungen.
Einige wenige Gesteinsreste geben dennoch Einblick in diese Ära. Zu ihnen zählt der mehr als vier Milliarden Jahre alte Acasta-Gneis aus Kanada, dessen Entstehung überwiegend auf vergleichsweise geringe Tiefen hindeutet. Andere Untersuchungen lieferten bereits indirekte Hinweise auf eine sehr frühe Subduktion, doch die Abläufe der damaligen Krustenbildung bleiben umstritten.
Forscher der Chinese Academy of Geological Sciences (CAGS) um Prof. Yusheng Wan haben nun einen ungewöhnlich alten Gneis aus dem Shimen-Komplex in der nordchinesischen Provinz Hebei untersucht. Der sogenannte Trondhjemit-Gneis ist aus einem einstigen siliziumreichen Magma hervorgegangen und wurde später durch Druck und Wärme umgeformt. Drei Proben des Gesteins lieferten die Grundlage für die Analysen.
Zur Altersbestimmung nutzte das Team winzige Zirkonkristalle im Gneis. Das Verhältnis von Uran zu dessen Zerfallsprodukt Blei ergab aus 33 geeigneten Messungen ein Kristallisationsalter von 3.951 ± 3 Millionen Jahren. Damit gehört der Fund zu den ältesten zuverlässig datierten Gesteinen der Erde und ermöglicht einen seltenen direkten Blick auf Prozesse vor knapp vier Milliarden Jahren.
Die Zirkone verraten zugleich etwas über die Herkunft des einstigen Magmas. Ihr ungewöhnlich hoher Anteil des schweren Sauerstoffisotops Sauerstoff-18 weist darauf hin, dass das basaltische Ausgangsgestein zuvor durch Wasser bei niedrigen Temperaturen verändert worden war. Dies könnte an oder nahe der damaligen Erdoberfläche geschehen sein.
Auch die Hafniumisotope in den Zirkonen sind aufschlussreich. Ihre Zusammensetzung deutet darauf hin, dass das Ausgangsmaterial aus einem Erdmantel stammte, dem bei früherer Schmelzbildung bereits Bestandteile für neue Erdkruste entzogen worden waren. Modellrechnungen verlegen diese Trennung von Mantel und Kruste möglicherweise auf die Zeit vor rund 4,3 Milliarden Jahren, also lange vor die Entstehung des untersuchten Gneises.
Die chemischen Spuren deuten zudem auf eine Entstehung des Magmas unter hohem Druck hin. Thermodynamische und geochemische Modelle ergeben, dass etwa acht bis 16 Prozent einer basaltischen Ausgangskruste bei mehr als 1,6 Gigapascal und Temperaturen von 740 bis 820 Grad Celsius aufgeschmolzen sein könnten. Der Druck entspricht einer Versenkung auf mehr als 50 Kilometer Tiefe.
Besonders auffällig ist die Kombination aus großer Tiefe und vergleichsweise niedriger Temperatur. Das zuvor durch Wasser veränderte Gestein muss demnach wahrscheinlich recht schnell in die Tiefe gelangt sein, bevor es sich stärker erwärmen konnte. Als plausibelste Erklärung schlagen die Studienautoren ein zeitlich begrenztes Abtauchen von Kruste vor, wie es in Subduktionszonen geschieht.
Die Befunde belegen allerdings keine weltweit etablierte Plattentektonik nach heutigem Muster. Die Versenkung und der angenommene Subduktionsmechanismus wurden aus Gesteinschemie und Modellrechnungen erschlossen, nicht unmittelbar an einer erhaltenen urzeitlichen Plattengrenze beobachtet. Möglich wäre damit zunächst ein regionaler und zeitlich begrenzter Vorgang.