Wissenschaftler haben eine neue Theorie entwickelt, wie die Kontinente auf der Erde vor drei bis 2,5 Milliarden Jahren stabiler wurden. Aus der Untersuchung von Graniten und ähnlichen Gesteinen ergab sich, dass radioaktive Elemente dabei vermutlich eine wichtige Rolle spielten, weil sie ihre Umgebung erwärmten. Als geologische Prozesse dafür sorgten, dass die radioaktiven Substanzen aufstiegen, kühlte sich die kontinentale Erdkruste der Theorie zufolge ab und wurde fester.
Die Studie der Geologen Jesse Reimink und Andrew Smye von der Pennsylvania State University ist in der Fachzeitschrift «Nature» erschienen.
Immun gegen die Tektonik
Die Kernregionen der kontinentalen Erdkruste, auch Kratone genannt, machen etwa die Hälfte der heutigen kontinentalen Erdkruste aus. Sie sind seit Milliarden Jahren stabil und von tektonischen Umformungen isoliert. Es gibt verschiedene Theorien, wie diese alten Kerne entstanden sind, doch sie können nicht alle geologischen Beobachtungen erklären.
Genau dies scheint nun der Studie von Reimink und Smye gelungen zu sein. Die beiden Wissenschaftler konzentrierten sich auf den Anteil der radioaktiven Substanzen Uran, Thorium, Kalium-40 und deren Zerfallsprodukte in Gesteinen wie Granit. Aus den bekannten Zerfallsraten der radioaktiven Isotope konnten sie ermitteln, wie hoch der Gehalt an radioaktiven Isotopen vor 2,5 bis 3 Milliarden Jahren war.
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Denn der Zerfall der radioaktiven Isotope sorgt für eine Erwärmung des Gesteins. Die oberflächennahe Erdwärme, die beispielsweise für die Geothermie genutzt wird, wird unter anderem durch radioaktiven Zerfall verursacht. Die Zerfallsrate der Isotope war vor drei Milliarden Jahren etwa doppelt so hoch wie heute und sorgte entsprechend für mehr Hitze.
Aufgrund ihrer Gesteinsanalysen stellen die Forscher folgende Theorie auf: Als vor rund drei Milliarden Jahren immer häufiger Gestein oberhalb der Meeresoberfläche lag, war es durch Wind und Wetter der Erosion ausgesetzt – es zerfiel zu Sand und Staub und lagerte sich in Gewässern als Sediment ab, wie es heute auch noch geschieht.
Verfestigung
Je höher Sedimente aufgeschichtet werden, desto stärker werden die tiefer gelegenen Schichten durch Druck verfestigt. Durch geologische Prozesse, etwa das Abtauchen einer Erdplatte unter eine andere, kann das verfestigte Sedimentgestein in tiefere Lagen der Erdkruste gelangen.
Die Studienautoren vermuten nun, dass die radioaktiven Substanzen im Sedimentgestein für ein Aufschmelzen dieses Gesteins und benachbarter Gesteine sorgten. Das geschmolzene Gestein war weniger dicht als das umliegende Gestein und stieg über Jahrmillionen in höhere Schichten auf. Dieser Vorgang führte zu tiefen Schichten, in denen kaum noch radioaktive Elemente vorhanden waren, die Hitze hätten erzeugen können. Das Gestein kühlte sich ab und verfestigte sich.
Es ergibt sich die Schlussfolgerung, dass die frühesten Kontinentalmassen ihr eigenes Überleben sicherten, indem sie sich über die Ozeane erhoben.
Claire Bucholz, Geologin, California Institute of Technolgy
„Setzt man die Ergebnisse der Autoren in einen Zusammenhang mit der geologischen Geschichte der Kratone, so ergibt sich die Schlussfolgerung, dass die frühesten Kontinentalmassen ihr eigenes Überleben sicherten, indem sie sich über die Ozeane erhoben, den Verwitterungsschutt aus der Atmosphäre in Sedimentbecken ablagerten und diese Sedimente dann wieder in die Kruste einbauten“, fasst Geologin Claire Bucholz vom California Institute of Technolgy in einem unabhängigen Kommentar zusammen.
Antworten, die Fragen aufwerfen
Laut Bucholz trägt die Studie erheblich zum geowissenschaftlichen Verständnis über die Entstehung der Kontinente bei. Allerdings blieben auch noch viele Fragen offen, schreibt sie: „Warum zum Beispiel stieg die Konzentration der wärmeproduzierenden Elemente in den Sedimentgesteinen im späten Archäikum an und erreichte vor 2,5 bis 2 Milliarden Jahren ihren Höhepunkt?“
Reimink und Smye haben bereits ihre nächste Forschungsfrage identifiziert. „Diese umgewandelten Sedimentgesteine, die geschmolzen sind und Granite erzeugt haben, die Uran und Thorium konzentrieren, sind wie Blackbox-Flugschreiber, die Druck und Temperatur aufzeichnen“, wird Smye in einer Mitteilung seiner Universität zitiert.
Solche Spuren im Gestein wollen die Forscher nun verstärkt suchen, um ihre Theorie zu untermauern. Dafür ist es womöglich notwendig, tief in die Erdkruste von Kratonen zu bohren, wo entsprechendes Gestein zu finden sein könnte.
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