Die Plattentektonik hat das Erscheinungsbild der Erde seit Milliarden von Jahren geformt: Kontinentale und ozeanische Kruste werden durchgängig gegeneinander gestoßen oder voneinander weggezogen, so wird die Oberfläche fortlaufend verändert. Wenn zwei massive Platten kollidieren, gibt eine nach, taucht unter die andere ab und wird dabei angeschmolzen. Diesen Prozess bezeichnet man als Subduktion.
Die subduzierte Platte gleitet dann durch den zähflüssigen Mantel wie ein flacher Stein durch ein Becken voll Honig. Größtenteils gilt, dass die Platten, die heutzutage subduziert werden, maximal so tief sinken können, bis der Mantel in einer Tiefe von etwa 670 Kilomtern seine Struktur von zähflüssigem Honig zu dichter Paste ändert:
Für die meisten Platten zu dicht, um noch tiefer einzudringen. Wissenschaftler haben bisher angenommen, dass dieser Dichte-Filter bereits für die meiste Zeit der Erdgeschichte bestand.
Jetzt hingegen haben Geologen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) herausgefunden, dass diese Dichtheits-Grenze vor rund drei Milliarden Jahren weitaus weniger stark ausgeprägt war und ihre Forschungsergebnisse in einem Paper in Earth and Planetary Science Letters veröffentlicht.
In ihrem Paper berichten die Forscher, dass die Ur-Erde einen Mantel beherbergte, der um rund 200 Grad Celsius heißer war als heutzutage – Temperaturen, die dafür gesorgt haben, dass mehr einheitliches, weniger dichtes Material durch den gesamten Mantel befördert wurde. Außerdem fanden die Forscher heraus, dass die Ur-Kruste aus viel dichterem Material bestand als die heutige felsige Kruste und sehr reich an Eisen und Magnesium war.
Die Kombination aus einem heißeren Mantel und dichterem Gestein sorgte wahrscheinlich dafür, dass subduzierte Platten den gesamten Weg durch den Mantel, bis in eine Tiefe von 2800 Kilometern, sanken und oben auf dem Erdkern einen regelrechten Platten-Friedhof aufbauten.
Die Resultate zeichnen ein vollkommen anderes Bild der Subduktionsvorgänge als wir es heutzutage beobachten und legen nahe, dass der Mantel der Ur-Erde viel effizienter darin war, Teile der Kruste nach unten zu ziehen.
“Wir stellen fest, dass vor rund drei Milliarden Jahren subduzierte Platten viel dichter als der umgebende Mantel blieben, sogar in der Übergangszone, und dass es keinen Grund dafür gibt, dass Platten dort fest stecken bleiben sollten, auch nicht aus Gründen des Auftriebs. Stattdessen müssten sie immer bis nach unten durchgesunken sein, was aber heutzutage nicht mehr häufig der Fall ist”, so Erstautor Benjamin Klein, Doktorand an der Fakultät für Geo-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften (EAPS) des MIT. “Unsere Ergebnisse legen nahe, dass es eine große Veränderung in der Erdgeschichte gegeben hat, was die Prozesse der Mantelkonvektion und Plattentektonik betrifft.”
Die Co-Autoren von Benjamin Klein sind Oliver Jagoutz, Extraordinarius des EAPS, und Mark Behn, Mitarbeiter der Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts.
“Es gibt noch immer die unbeantwortete Frage, wann genau die Plattentektonik in der Erdgeschichte ihren Anfang nahm. Generell herrscht Einigkeit darüber, dass es möglicherweise vor drei Milliarden Jahren begann, das umschreibt zudem den Zeitraum, in dem die Erde am heißesten war”, sagt Klein.
Vor drei Milliarden Jahren war der Mantel vermutlich 150 bis 200 Grad heißer als heutzutage. Klein, Jagoutz und Behn untersuchten, ob heißere Temperaturen im Inneren der Erde dafür einen Unterschied machten wie subduzierte Platten durch den Mantel transportiert wurden.
“Unsere Arbeit begann als ein gedankliches Experiment, um zu sagen, wie sich das auf die Tektonik ausgewirkt hätte, wenn wir wüssten, dass die Temperaturen höher gewesen sind, da es zuvor diese vehemente Debatte gab: Entweder gab es die Plattentektonik so wie wir sie heute kennen schon immer oder es gab sie früher gar nicht. Aber wir vermuteten, dass es dazwischen noch einiges an Spielraum gibt”, erläutert Klein.
Das Team führte seine Analyse durch, begründet auf der Annahme, dass die Plattentektonik bereits vor drei Milliarden Jahren die Oberfläche der Erde gestaltete. Sie warfen einen Blick darauf, wie die Dichte der subduzierten Platten und dem umgebenden Mantel in diesem Zeitraum war, der Unterschied würde bestimmt haben, wie tief die Platten sinken.
Um die Dichte der altertümlichen Platten abzuschätzen sammelte Klein einen Datensatz von 1400 bereits zuvor analysierten Gesteinsproben – moderne Gesteine und sogenannte Komatiite, ultramafische Gesteine, die aus dem Erdmantel stammen und heute nicht mehr entstehen. Diese Gesteine enthalten im Vergleich zur heutigen ozeanischen Kruste mehr Eisen und Magnesium. Klein nutzte die Zusammensetzung jeder Gesteinsprobe um die Dichte einer typischen subduzierten Platte zu berechnen, sowohl für heutige Verhältnisse als auch vor drei MIlliarden Jahren. Dann schätzte er die Temperaturen einer heutigen und einer altertümlichen Subduktionsplatte in Relation zum umgebenden Mantel. Er argumentierte, dass die Distanz, die eine Platte absinkt, nicht nur von der Dichte, sondern auch von der Temperatur im Vergleich zum Mantel abhängt: Je kälter ein Objekt im Vergleich zu seiner Umgebung ist, desto schneller und weiter müsste es absinken.
Das Team benutzte ein thermodynamisches Modell, um die Dichte jeder subduzierten Platte bzw. die Veränderungen der Dichte beim Absinken in den Mantel zu bestimmen, sie gingen dabei von einer festgesetzten Temperatur von Mantel und Platte aus. Aus diesen Berechnungen bestimmten sie die Tiefe an der die jeweilige Platte weniger dicht als der Mantel sein würde. Sie stellten die Hypothese auf, dass an dieser Stelle ein Sprung in der Dichte auftreten würde, sodass eine Platte nicht weiter als bis zu dieser Grenze absinken würde.
“Da scheint es diesen kritischen Filter und die Kontrolle der Bewegung von Platten zu geben und daher die Konvektion des Mantels”, erläutert Klein.
Das Team fand heraus, dass ihre Abschätzungen davon wo diese Grenze im modernen Mantel auftritt – bei einer Tiefe von 670 km – mit aktuellen Messungen dieser Übergangszone übereinstimmt, das bestätigt, dass ihre Methode auch Gültigkeit für die Ur-Erde hat.
Klein erklärt: “Wenn heutzutage Platten in den Mantel abtauchen, sind sie dichter als der obere und untere Umgebungsmantel, aber in dieser Übergangszone ändern sich die Dichten schlagartig. In dieser kleinen Lage sind die Platten weniger dicht als der Mantel und froh dort zu bleiben, fast schwimmend und dennoch stillstehend.”
Für den Zeitraum von vor drei Milliarden Jahren haben die Forscher herausgefunden, dass eine schlagartige Änderung der Dichte im Mantel nicht bestand, da der altertümliche Mantel so viel heißer war und die Platten soviel dichter als heutzutage. Stattdessen wären subduzierte Platten zielstrebig zum unteren Ende des Mantels gesunken und hätten sich an ihrem finalen Aufenthaltsort am oberen Rand des Erdkerns abgelagert.
Jagoutz beschreibt, dass die Ergebnisse Nahe legen, dass irgendwann im Zeitraum von vor drei Milliarden Jahren und heute, das Konvektionssystem als die Erde abkühlte von einem einlagigen System, bei dem subduzierte Platten frei und ungehemmt vom oberen Mantel in den unteren Mantel gelangen konnten, zu einer zweilagigen Konfiguration wechselte, bei dem es subduzierten Platten erschwert wurde in den unteren Mantel vorzudringen.
“Das zeigt, dass wenn ein Planet sich abkühlt, diese Grenze, obschon immer schon vorhanden, zu einer fundierten Filterung für Dichte wird. Wir wissen nicht, was in der Zukunft passieren wird, aber unsere Theorie besagt, dass es sogar möglich ist, dass die Erde von einem einfachen Konvektionssystem zu zu einem zweifachen wechselt und das ist Teil der Evolution der gesamten Erde”, sagt Jagoutz.
Quelle: Off. Pn. des Massachusetts Institute of Technology
Publikation: Benjamin Z. Klein, Oliver Jagoutz, Mark D. Behn: Archean crustal compositions promote full mantle convection. Earth and Planetary Science Letters, 2017; 474: 516 DOI: 10.1016/j.epsl.2017.07.003
Pia Gaupels
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