Gesteine eröffnen Einblicke in die Geschichte des Planeten Erde

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Optisch auffällige Schichten aus verbranntem Orange, Gelb, Silber, Braun und blau gefärbtem Schwarz sind charakteristisch für gebänderte Eisenformationen, Sedimentgesteine, die möglicherweise einige der größten Vulkanausbrüche in der Erdgeschichte ausgelöst haben, so neue Forschungsergebnisse der Rice University.

Die Gesteine enthalten Eisenoxide, die vor langer Zeit auf den Grund der Ozeane sanken und dichte Schichten bildeten, die schließlich zu Stein wurden. Die Studie, die diese Woche in Nature Geoscience veröffentlicht wurde, legt nahe, dass die eisenhaltigen Schichten uralte Veränderungen an der Erdoberfläche – wie die Entstehung photosynthetischen Lebens – mit planetarischen Prozessen wie Vulkanismus und Plattentektonik verbinden könnten.

Die Studie verbindet nicht nur planetarische Prozesse, von denen man gemeinhin annahm, dass sie nicht miteinander verbunden sind, sondern könnte auch das Verständnis der Wissenschaftler für die frühe Erdgeschichte neu definieren und Einblicke in Prozesse geben, die bewohnbare Exoplaneten weit entfernt von unserem Sonnensystem hervorbringen könnten.

„Diese Gesteine erzählen – im wahrsten Sinne des Wortes – die Geschichte einer sich verändernden planetarischen Umwelt“, sagte Duncan Keller, der Hauptautor der Studie und Postdoktorand im Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences der Universität Rice. „Sie verkörpern eine Veränderung der atmosphärischen und ozeanischen Chemie.

Gebänderte Eisenformationen sind chemische Sedimente, die sich direkt aus altem Meerwasser mit hohem Gehalt an gelöstem Eisen ablagern. Es wird angenommen, dass Stoffwechselvorgänge von Mikroorganismen, einschließlich der Photosynthese, die Ausfällung der Mineralien begünstigt haben, die sich im Laufe der Zeit zusammen mit Hornstein (mikrokristallinem Siliziumdioxid) Schicht für Schicht bildeten. Die größten Ablagerungen entstanden, als sich vor etwa 2,5 Milliarden Jahren in der Erdatmosphäre Sauerstoff ansammelte.

„Diese Gesteine bildeten sich in den alten Ozeanen, und wir wissen, dass diese Ozeane später durch plattentektonische Prozesse seitlich geschlossen wurden“, erklärt Keller.

Obwohl der Erdmantel fest ist, fließt er wie eine Flüssigkeit, etwa so schnell wie Fingernägel wachsen. Tektonische Platten – kontinentgroße Abschnitte der Kruste und des obersten Erdmantels – sind ständig in Bewegung, was größtenteils auf die thermischen Konvektionsströme im Erdmantel zurückzuführen ist. Die tektonischen Prozesse der Erde steuern die Lebenszyklen der Ozeane.

„Genauso wie der Pazifische Ozean heute geschlossen wird – er subduziert unter Japan und unter Südamerika – wurden alte Ozeanbecken tektonisch zerstört“, sagte er. „Diese Gesteine mussten entweder auf die Kontinente geschoben und konserviert werden – und wir sehen einige konservierte Gesteine, von denen die, die wir heute betrachten, stammen – oder in den Erdmantel subduziert werden.

Aufgrund ihres hohen Eisengehalts sind Bändereisenformationen dichter als der Erdmantel, was Keller zu der Frage veranlasste, ob subduzierte Stücke der Formationen ganz nach unten sanken und sich in der untersten Region des Erdmantels nahe der Spitze des Erdkerns niederließen. Dort hätten sie unter immensen Temperaturen und Druck tiefgreifende Veränderungen erfahren, da ihre Mineralien andere Strukturen annahmen.

„Es gibt einige sehr interessante Arbeiten über die Eigenschaften von Eisenoxiden unter diesen Bedingungen“, so Keller. „Sie können hochgradig thermisch und elektrisch leitfähig werden. Einige von ihnen leiten Wärme so leicht wie Metalle. Es ist also möglich, dass sich diese Gesteine, sobald sie sich im unteren Erdmantel befinden, in extrem leitfähige Klumpen wie Heizplatten verwandeln.“

Keller und seine Mitarbeiter gehen davon aus, dass Regionen, die mit subduzierten Eisenformationen angereichert sind, die Bildung von Mantelplumes begünstigen könnten, d. h. von aufsteigenden Leitungen aus heißem Gestein über thermischen Anomalien im unteren Erdmantel, die gewaltige Vulkane wie die der Hawaii-Inseln hervorbringen können. „Seismologische Daten zeigen uns, dass sich unter Hawaii eine heiße Leitung mit aufsteigendem Mantel befindet“, so Keller. „Stellen Sie sich eine heiße Stelle auf Ihrer Herdplatte vor. Wenn das Wasser in Ihrem Topf kocht, sehen Sie mehr Blasen über einer Säule mit aufsteigendem Wasser in diesem Bereich. Mantelplumes sind so etwas wie eine riesige Version davon“.

„Wir haben uns das Ablagerungsalter von Bändereisenformationen und das Alter großer basaltischer Eruptionsereignisse, so genannter großer Eruptionsprovinzen, angesehen und festgestellt, dass es eine Korrelation gibt“, so Keller. „Vielen dieser Eruptionen – die so gewaltig waren, dass die 10 oder 15 größten ausgereicht haben könnten, um den gesamten Planeten neu zu überziehen – ging die Ablagerung von Bändereisenformationen in Abständen von etwa 241 Millionen Jahren voraus, plus/minus 15 Millionen. Das ist eine starke Korrelation mit einem Mechanismus, der Sinn macht.

Die Studie zeigte, dass es eine plausible Zeitspanne gab, in der die gebänderten Eisenformationen zunächst tief in den unteren Erdmantel gezogen wurden und dann den Wärmefluss beeinflussten, um einen Plume in Richtung Erdoberfläche Tausende von Kilometern darüber zu treiben.

Bei seinen Bemühungen, die Reise der Eisenbandformationen nachzuvollziehen, überschritt Keller die Grenzen zwischen den Disziplinen und stieß auf unerwartete Erkenntnisse.

 

„Wenn das, was in den frühen Ozeanen passiert, nachdem Mikroorganismen die Oberflächenumgebung chemisch verändert haben, 250 Millionen Jahre später irgendwo auf der Erde zu einem enormen Lavaausstoß führt, bedeutet das, dass diese Prozesse miteinander verbunden sind und miteinander ’sprechen'“, so Keller. „Das bedeutet auch, dass diese Prozesse auf Längenskalen ablaufen können, die viel größer sind als erwartet. Um dies ableiten zu können, mussten wir Daten aus vielen verschiedenen Bereichen wie Mineralogie, Geochemie, Geophysik und Sedimentologie heranziehen.

Keller hofft, dass die Studie weitere Forschungen anregen wird. „Ich hoffe, dass dies die Menschen in den verschiedenen Bereichen, die es berührt, motiviert“, sagte er. „Ich denke, es wäre wirklich cool, wenn dies die Leute dazu bringen würde, auf neue Art und Weise darüber zu sprechen, wie verschiedene Teile des Erdsystems miteinander verbunden sind.“

Keller ist Teil des Projekts CLEVER Planets: Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets“, einer interdisziplinären, institutionenübergreifenden Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Rajdeep Dasgupta, Rice’s W. Maurice Ewing Professor of Earth Systems Science in the Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences.

„Dies ist eine äußerst interdisziplinäre Zusammenarbeit, die untersucht, wie sich flüchtige Elemente, die für die Biologie wichtig sind – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel – in Planeten verhalten, wie Planeten diese Elemente erwerben und welche Rolle sie dabei spielen, Planeten möglicherweise bewohnbar zu machen“, sagte Keller.

„Wir benutzen die Erde als bestes Beispiel, das wir haben, aber wir versuchen herauszufinden, was das Vorhandensein oder Fehlen eines oder einiger dieser Elemente für Planeten im Allgemeinen bedeuten könnte“, fügte er hinzu.

Cin-Ty Lee, Harry Carothers Wiess Professor für Geologie, Erd-, Umwelt- und Planetenwissenschaften an der Rice University, und Dasgupta sind Mitautoren der Studie. Weitere Koautoren sind Santiago Tassara, Assistenzprofessor an der Bernardo O’Higgins University in Chile, und Leslie Robbins, Assistenzprofessorin an der University of Regina in Kanada, die beide als Postdocs an der Yale University tätig waren, sowie Jay Ague, Yale-Professor für Erd- und Planetenwissenschaften und Doktorvater von Keller.

Die NASA (80NSSC18K0828) und der Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (RGPIN-2021-02523) unterstützten die Forschung.