Ein dünnes Stück uraltes Gestein, das vom Gakkel-Rücken in der Nähe des Nordpols gesammelt, unter einem Mikroskop abgebildet und unter gekreuztem polarisiertem Licht betrachtet wurde. Feldbreite ~ 14 mm. Die Gesteinsanalyse im Dünnschliff hilft Geologen dabei, Mineralien im Gestein zu identifizieren und zu beschreiben. Die Analysen liefern Informationen über die mineralogische Zusammensetzung, Textur und Geschichte des Gesteins, beispielsweise über seine Entstehung und alle nachfolgenden Veränderungen, die es erfahren hat. Forscher nutzen die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Mineralien in diesen alten Gesteinen aus dem Erdmantel, um die Bedingungen zu bestimmen, unter denen diese Gesteine schmolzen. Urheberrecht: E. Cottrell, Smithsonian
Smithsonian-Wissenschaftler führen neue Forschungen zu uralten „Zeitkapsel“-Gesteinen durch, die mindestens 2,5 Milliarden Jahre alt sind.
Forscher des Smithsonian National Museum of Natural History haben eine neue Analyse von Gesteinen durchgeführt, von denen angenommen wird, dass sie mindestens 2,5 Milliarden Jahre alt sind, und Licht auf die chemische Geschichte des Erdmantels, der Schicht unter der Erdkruste, werfen. Ihre Erkenntnisse erweitern unser Verständnis der ältesten geologischen Prozesse der Erde und tragen zu einer langjährigen wissenschaftlichen Debatte über die geologische Geschichte des Planeten bei. Insbesondere liefert die Studie Beweise dafür, dass der Oxidationszustand des größten Teils des Erdmantels über geologische Zeiträume hinweg stabil geblieben ist, was frühere Behauptungen anderer Forscher über große Transformationen in Frage stellt.
„Diese Studie verrät uns mehr darüber, wie dieser besondere Ort, an dem wir leben, zu dem wurde, wie er jetzt ist, mit seiner einzigartigen Oberfläche und seinem Inneren, die die Existenz von Leben und flüssigem Wasser ermöglichten“, sagte Elizabeth Cottrell, Leiterin der Abteilung für Mineralogie des Museums , Kurator der National Rock Collection und Co-Autor der Studie: „Es ist Teil unserer menschlichen Geschichte, denn unsere Ursprünge gehen alle auf die Entstehung und Entwicklung der Erde zurück.“
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkonzentriert sich auf eine Gruppe von Gesteinen, die vom Meeresboden gesammelt wurden und ungewöhnliche geochemische Eigenschaften besitzen. Insbesondere weisen die Gesteine Anzeichen einer extremen Auflösung mit sehr geringen Oxidationsgraden auf; Oxidation ist wann Mais Oder ein Molekül verliert bei einer chemischen Reaktion ein oder mehrere Elektronen. Mit Hilfe zusätzlicher Analysen und Modellierungen nutzten die Forscher die einzigartigen Eigenschaften dieser Gesteine, um zu zeigen, dass sie wahrscheinlich mindestens 2,5 Milliarden Jahre alt sind und in die archaische Zeit zurückreichen. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass der Erdmantel seit der Entstehung dieser Gesteine im Allgemeinen einen stabilen Oxidationszustand aufweist, anders als andere Geologen bisher angenommen hatten.
Ein uraltes Gestein wurde aus dem Meeresboden entnommen und vom Forschungsteam untersucht. Bildnachweis: Tom Kleindienst
„Die von uns untersuchten alten Gesteine sind 10.000-mal weniger oxidiert als typische moderne Mantelgesteine, und wir liefern Beweise dafür, dass dies auf das Schmelzen tief im Erdinneren während der Archaikum-Ära zurückzuführen ist, als der Mantel heißer war als heute“, sagte Cottrell. Andere erklären die höheren Oxidationsgrade, die heute in Gesteinen aus dem Erdmantel beobachtet werden, mit der Annahme, dass zwischen dem Archaikum und heute ein Oxidations- oder Veränderungsereignis stattgefunden habe. „Unsere Beweise deuten darauf hin, dass der Unterschied in den Oxidationsstufen einfach durch die Tatsache erklärt werden kann, dass der Erdmantel über Milliarden von Jahren abgekühlt ist und nicht mehr heiß genug ist, um Gesteine mit solch niedrigen Oxidationsstufen zu produzieren.“
Geologische Beweise und Studienmethodik
Das Forschungsteam, darunter die leitende Studienautorin Susan Berner, die ein Doktorandenstipendium am National Museum of Natural History absolvierte und jetzt Assistenzprofessorin am Berea College in Kentucky ist, begann mit ihrer Untersuchung, um die Beziehung zwischen dem festen Erdmantel und modernem Vulkangestein zu verstehen Felsen auf dem Meeresboden. Die Forscher untersuchten zunächst eine Gruppe von Gesteinen, die an zwei Meeresrücken aus dem Meeresboden ausgegraben wurden, wo tektonische Platten auseinanderlaufen und der Mantel an die Oberfläche wandert und neue Kruste bildet.
Die beiden Orte, an denen die untersuchten Gesteine gesammelt wurden, die Jackyll Mountain Range nahe dem Nordpol und die Southwest India Range zwischen Afrika und der Antarktis, gehören zu den sich am langsamsten ausbreitenden tektonischen Plattengrenzen der Welt. Das langsame Ausbreitungstempo an diesen ozeanischen Rücken bedeutet, dass sie vulkanisch gesehen relativ ruhig sind, verglichen mit sich schneller ausbreitenden vulkanischen Rücken wie dem Ostpazifischen Rücken. Das bedeutet, dass es sich bei den von diesen sich langsam ausbreitenden Rücken gesammelten Gesteinen wahrscheinlich um Proben des Erdmantels selbst handelt.
Das Heck des Forschungsschiffs R/V Knorr auf See im Jahr 2004. Der A-förmige Rumpf enthält den riesigen Metalleimer und die Kette, die mehr als 10.000 Fuß unter die Meeresoberfläche abgesenkt und über den Meeresboden gezogen werden, um geologische Proben zu sammeln. Urheberrecht: Emily Van Ark
Als das Team das Mantelgestein analysierte, das es von diesen beiden Bergrücken gesammelt hatte, entdeckte es, dass sie seltsame chemische Eigenschaften hatten. Erstens waren die Gesteine viel stärker geschmolzen, als es heute für Mantelgesteine typisch ist. Zweitens waren die Gesteine viel weniger oxidiert als die meisten anderen Mantelgesteinsproben.
Um diesen hohen Schmelzgrad zu erreichen, schlussfolgerten die Forscher, dass das Gestein tief im Boden bei sehr hohen Temperaturen geschmolzen sein muss. Der einzige Zeitraum in der geologischen Geschichte der Erde, von dem bekannt ist, dass es solch hohe Temperaturen gab, war vor 2,5 bis 4 Milliarden Jahren, während des Archaikums. Daher kamen die Forscher zu dem Schluss, dass diese Mantelgesteine wahrscheinlich während des Archaikums geschmolzen sind, als die Temperatur im Inneren des Planeten zwischen 360 und 540 Grad lag. F (200-300 Grad Celsius) heißer als heute.
Eine hohe Löslichkeit würde diese Gesteine vor einem weiteren Schmelzen schützen, das ihre chemische Signatur verändern könnte, und es ihnen ermöglichen, Milliarden von Jahren im Erdmantel zu zirkulieren, ohne ihre Chemie wesentlich zu verändern.
„Diese Tatsache allein beweist noch nichts, aber sie öffnet die Tür für die Möglichkeit, dass diese Proben als echte geologische Zeitkapseln aus der Archaikum-Ära dienen“, sagte Cottrell.
Wissenschaftliche Erklärungen und Erkenntnisse
Um geochemische Szenarien zu untersuchen, die die niedrigen Oxidationsgrade der am Jackel Ridge und am südwestlichen Indian Ridge gesammelten Gesteine erklären könnten, wandte das Team mehrere Modelle auf seine Messungen an. Die Modelle zeigten, dass die in ihren Proben gemessenen geringen Oxidationsgrade wahrscheinlich durch Schmelzen unter extrem heißen Bedingungen tief im Erdinneren verursacht wurden.
Beide Beweislinien stützen die Interpretation, dass die atypischen Eigenschaften der Gesteine eine chemische Signatur darstellen, die aus dem Schmelzen tief im Erdinneren während des Archaikums resultiert, als der Erdmantel extrem hohe Temperaturen erzeugen konnte.
Zuvor interpretierten einige Geologen Mantelgesteine mit geringem Oxidationsgrad als Beweis dafür, dass der archaische Mantel weniger oxidiert war und dass er durch einen Mechanismus im Laufe der Zeit stärker oxidiert war. Zu den vorgeschlagenen Oxidationsmechanismen gehören ein allmählicher Anstieg der Oxidationsniveaus aufgrund des Verlusts von Gasen in den Weltraum, die Wiederverwertung des alten Meeresbodens durch Subduktion und die fortgesetzte Beteiligung des Erdkerns an der Chemie des Erdmantels. Doch bislang sind sich die Befürworter dieser Sichtweise nicht auf eine einzige Erklärung einig.
Stattdessen stützen die neuen Erkenntnisse die Ansicht, dass der Oxidationsgrad im Erdmantel seit Milliarden von Jahren weitgehend konstant ist und dass die in einigen Mantelproben beobachtete geringe Oxidation unter geologischen Bedingungen entstanden ist, die die Erde aufgrund ihres Mantels nicht mehr produzieren kann ist inzwischen abgekühlt. Also anstelle eines Mechanismus, der den Erdmantel herstellt mehr über Milliarden von Jahren oxidiert, und die neue Studie behauptet, dass hohe Temperaturen in der Archaikum-Ära Teile des Erdmantels gebildet haben weniger Da sich die Erdatmosphäre seit der Archaikum-Ära abgekühlt hat, ist sie nicht mehr in der Lage, Gesteine mit sehr geringem Oxidationsgrad zu produzieren. Laut Cottrell liefert der Abkühlungsprozess der Erdatmosphäre eine viel einfachere Erklärung: Die Erde bildet einfach keine Steine mehr wie in der Vergangenheit.
Cottrell und ihre Kollegen versuchen nun, die geochemischen Prozesse, die die archäischen Mantelgesteine der Jackyll Range und der südwestlichen Indian Range bildeten, besser zu verstehen, indem sie im Labor die extrem hohen Drücke und Temperaturen in den Archaeen simulieren.
Referenz: „Tiefes, heißes, uraltes Schmelzen, aufgezeichnet durch extrem niedrige Sauerstoffversorgung in Peridotit“ von Susan K. Berner, Elizabeth Cottrell und Fred A. Davis und Jessica M. Warren, 24. Juli 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07603-s
Neben Berner und Cottrell wurde die Studie von Fred Davis von der University of Minnesota Duluth und Jessica Warren von der University of Delaware gemeinsam verfasst.
Die Forschung wurde von der Smithsonian Institution und der National Science Foundation unterstützt.