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Datum: 08.03.2012

Neue Theorie zur Entstehung der ältesten Kontinente Geologen der Universitäten Bonn und Köln zeichnen ein neues Bild von der frühen Erde

Geologen der Universitäten Bonn und Köln legen in der April-Ausgabe der Zeitschrift „Geology“ wissenschaftliche Ergebnisse vor, aus denen sich ein neues Bild der frühesten Phase der Kontinentbildung ergibt. Bislang ging die Forschung davon aus, dass die ersten Kontinentalgesteine vor rund vier Milliarden Jahren entstanden, indem ozeanische Urkruste durch plattentektonische Bewegungen im Erdmantel versank und in großen Tiefen schmolz. Untersuchungen der Bonn-Kölner Wissenschaftler stellen nun dieses Modell in Frage und legen nahe, dass die Bildung der ersten Kontinentfragmente in viel geringeren Tiefen erfolgte und die Ausgangsgesteine wahrscheinlich nie versenkt worden sind. Dies hat weitreichende Konsequenzen für unsere Vorstellungen von der Entwicklung der frühen Erde.

Der Aufbau der Erde lässt sich mit einer Apfelsine vergleichen: Die Erdkruste ist die äußerste Schale, die auf dem schwereren Erdmantel schwimmt. Die 30 bis 40 Kilometer dicke Kruste der Kontinente bildet das Festland. Sie ist deutlich leichter als die dünnere ozeanische Kruste und ragt wegen ihrer geringen Dichte aus dem Erdmantel wie ein Eisberg aus dem Meer. „Nach der gängigen Theorie hat sich die erste kontinentale Kruste dadurch gebildet, dass ozeanische Kruste in Plattenkollisionszonen tief in den Erdmantel abtauchte und in rund 100 Kilometern Tiefe teilweise aufschmolz. Diese Schmelzen sollen dann zur Erdoberfläche aufgestiegen sein und die ersten Kontinente gebildet haben“, berichtet Privatdozent Dr. Thorsten Nagel vom Steinmann-Institut für Geowissenschaften der Universität Bonn, der Erstautor der Studie. Als Beleg für dieses Szenario galten bislang die mit rund 3,8 Milliarden Jahren ältesten auf der Erde erhaltenen Kontinentgesteine, die in Westgrönland gefunden wurden.

Spurenelemente führten auf die Spur

Die kontinentale Kruste entspricht in ihrer Zusammensetzung einer Schmelze, die entsteht, wenn 10 bis 30 Prozent der ozeanischen Kruste aufgeschmolzen sind. Die Konzentrationen der chemischen Hauptbestandteile in dem wieder erstarrten Gestein geben leider kaum Aufschluss über die Bildungstiefe der Schmelze. „Um die zu bestimmen, müsste man wissen, aus welchen Mineralen die in der Tiefe zurückgebliebenen 70 bis 90 Prozent der ozeanische Kruste bestanden“, erklärt Prof. Dr. Carsten Münker vom Institut für Geologie und Mineralogie der Universität zu Köln. Die Bonn-Kölner Forscher untersuchten nun in den grönländischen Gesteinen verschiedene in äußerst geringen Konzentrationen auftretende Elemente, sogenannte Spurenelemente. „Die Spurenelemente stellen für Geologen ein Fenster zu der Quelle kontinentaler Kruste dar“, sagt Prof. Münker. „Mit ihrer Hilfe kann man die Minerale in dem Restgestein identifizieren, das in der Tiefe von der Schmelze zurückgelassen wurde.“

Bevor die Gesteinsschmelze das Muttergestein verließ, herrschte zwischen ihr und den zurückbleibenden festen Mineralen ein reger Austausch von Spurenelementen. „Verschiedene  Minerale teilen sich mit der Schmelze jedes Spurenelement auf charakteristische Weise. Das heißt, der Gehalt von Spurenelementen in der Schmelze stellt einen Fingerabdruck des zurückgebliebenen Restgesteins dar”, erläutert Dr. Elis Hoffmann aus Bonn, Mitautor der Studie. Der Gehalt der ältesten Kontinentalgesteine an Spurenelementen erlaubt es somit den Geoforschern, mögliche Restgesteine hinsichtlich ihrer Minerale zu rekonstruieren und auf diese Weise zu bestimmen, in welchen Tiefen die kontinentale Kruste ihren Ursprung hat.

Die Ozeankruste muss nicht in große Tiefen abtauchen

Die Wissenschaftler berechneten am Computer für verschiedene Tiefen und Temperaturen die Zusammensetzungen von Restgesteinen und Schmelzen, die bei der teilweisen Aufschmelzung ozeanischer Kruste entstehen würden. Die für die Schmelze errechneten Werte verglichen sie dann mit den tatsächlichen Spurenelement-Gehalten in den ältesten kontinentalen Gesteinen. „Unsere Ergebnisse zeigen ein überraschendes Bild“, berichtet Dr. Nagel. „Die ozeanische Kruste muss gar nicht in Tiefen von 100 Kilometer abtauchen, um Schmelzen zu bilden, aus der die Gesteine der ersten Kontinente entstanden.“ Nach den Berechnungen ist eine Tiefe von etwa 30 bis 40 Kilometern viel wahrscheinlicher.

Ozean-Urkruste könnte die Kontinente direkt „ausgeschwitzt“ haben

Solche Mächtigkeiten kann die ozeanische Kruste im Archaikum durchaus gehabt haben. Die allmählich abkühlende Erde war vor rund vier Milliarden Jahren noch deutlich heißer als heute. In Verbindung mit anderen geologischen Prozessen wie Vulkanismus, Gebirgsbildung oder Wasserzufuhr könnte die ozeanische Urkruste die Kontinente direkt „ausgeschwitzt“ haben. „Wir halten es  für unwahrscheinlich, dass sich unsere Kontinente in Subduktionszonen gebildet haben. Ob es solche Versenkungszonen tektonischer Platten auf der frühen Erde überhaupt gab, steht somit wieder zur Debatte“, führt der Bonner Geologe aus.

Publikation: Generation of Eoarchean tonalite-trondhjemite-granodiorite series from thickened mafic arc crust, Geology, DOI: 10.1130/G32729.1

Kontakt:

Privatdozent Dr. Thorsten Nagel/Dr. J. Elis Hoffmann
Steinmann-Institut für Geowissenschaften
Universität Bonn
Tel. 0228/732760
tnagel@uni-bonn.de

Prof. Dr. Carsten Münker
Institut für Geologie und Mineralogie
Universität zu Köln
Tel. 0221/4703198
c.muenker@uni-koeln.de

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  • Auf der Spur der frühesten Kontinententstehung:
    Auf der Spur der frühesten Kontinententstehung:
    Privatdozent Dr. Thorsten Nagel (rechts) und Dr. J. Elis Hoffmann mit den ältesten Gesteinen im Labor. (c) Foto: Volker Lannert/Uni Bonn
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Auf der Spur der frühesten Kontinententstehung:
Privatdozent Dr. Thorsten Nagel (rechts) und Dr. J. Elis Hoffmann mit den ältesten Gesteinen im Labor. (c) Foto: Volker Lannert/Uni Bonn