Der Ursprung der Kontinente

Die Erdkruste besteht aus zwei sehr unterschiedlichen Sorten Gestein: Ozeanischer und kontinentale Kruste. Die ozeanische Kruste besteht aus überwiegend aus Basalt. Sie bildet den Untergrund der Ozeanbecken und unterliegt einem permanenten Zyklus von Bildung und Vernichtung. "Aktive" ozeanische Kruste ist daher höchstens etwa 220 Millionen Jahre alt. Die Kontinente dagegen bestehen aus weniger dichtem Gestein wie Granit. Sie sind leichter und dicker und gelangen deswegen nicht durch plattentektonische Vorgänge zurück in den Erdmantel. Entsprechend sind sie durch die Bank wesentlich älter. Ihre Entstehung ist noch weitgehend rätselhaft.

 

Die Neubildung ozeanischer Kruste dagegen geschieht seit Jahrmilliarden an den Mittelozeanischen Rücken und kann dort heute gut beobachtet werden (zumindest wenn man Mittel und Wege hat, ein paar Kilometer tief zu tauchen). Diese Möglichkeit hat man bei den Kontinenten nicht. Klar ist, dass die Kontinentale Kruste aus aufgestiegenem Mantelmaterial besteht und dass einige Teile der Kontinente uralt sind. Diese Kerne sind im laufe der Zeit angewachsen, bis sie ihre heutige Größe erreicht hatten. Die ältesten und beständigsten Teile der Kontinente nennt man präkambrische Schilde. Die ältesten Schilde sind der Kanadische und der Grönländische Schild. Auf beiden finden sich Gesteine, die etwa vier Milliarden Jahre alt sind.

Was die Zirkone erzählen
Über die Entstehung der ersten Schilde gibt es unterschiedliche Hypothesen. Die Modelle reichen von kontinuierlichem Wachstum bis zur schubweisen Entstehung durch wahrhaft kataklysmische Ereignisse.[1] Aufschluss über die Entstehungsgeschichte der Kontinente geben möglicherweise winzige Kristalle eines sehr widerstandsfähigen Minerals, Zirkon. Das Mineral kristallisiert bei der Entstehung von Granit in Magmakammern unter aktiven Vulkanen aus - es entsteht quasi zusammen mit kontinentaler Kruste. Mit dem Eruptionsmaterial gelangen die Kristallean die Oberfläche, wo sie wegen ihrer Härte praktisch unverändert überdauern.

Praktischerweise enthalten Zirkone radioaktive Verunreinigungen wie Uran oder Thorium, die mit konstanter Rate zerfallen. Deshalb kann man das Alter eines Zirkons sehr einfach bestimmen, indem man die Menge dieser radioaktiven Verunreinigungen im Verhältnis zu ihren Zerfallsprodukten misst. Die große Frage ist jetzt, welche Geschichte die Zirkone erzählen. Da Zirkon ein sehr häufiges Material ist, hat man das Alter von Tausenden Zirkonkristallen von allen Kontinenten bestimmen können (siehe Abb., Quelle: Condie, K. C. Episodic continental growth and supercontinents: a mantle avalanche connection? Earth Planet. Sci. Lett. 163 (1998), 97-108).

Auffällig ist, dass Zirkone bestimmter Altersklassen besonders häufig sind. Die Vermutung liegt nahe, dass zu diesen Zeiten besonders viel kontinentale Kruste entstanden ist. Das würde für ein episodisches Wachstum sprechen.

Auch andere Indizien sprechen dafür, dass die Kontinente schubweise gewachsen sind. Zum Beispiel das Verhältnis zweier Heliumisotope (³He und ⁴He) in verschiedenen Basalten ozeanischer Kruste, das vor einer Weile vom britischen Geochemiker S.W. Parman analysiert wurde.

Viele Elemente, so auch Helium, lösen sich in geschmolzenem Gestein von Vulkanen besser als im festen Erdmantel. Mantelbereiche, die einst teilweise aufgeschmolzen waren, sind deswegen ansolchen Elementen verarmt, weil der geschmolzene Anteil mitsamt der dort angereicherten Elemente bei vulkanischen Eruptionen an die Oberfläche gelangt. Allerdings werden bestimmte Elemente und Isotope durch den Zerfall radioaktiver Elemente wie Uran kontinuierlich nachgeliefert. Zu ihnen gehört auch ⁴He.

Daher gilt ein hoher Anteil an ⁴He im Vergleich zu ³He als Zeichen dafür, dass der Magmakörper, aus dem solcher Basalt hervorgegangen ist, durch vulkanische Aktivität weitgehend entgast und später nachträglich wieder mit ⁴He angereichert wurde. Derartige Gesteine findet man bevorzugt an mittelozeanischen Rücken. Dagegen enthält Basalt von ozeanischen Vulkaniseln, z.B. Hawaii, wesentlich mehr ³He. Dies wird dahingehend interpretiert, dass sich die Vulkaninseln aus primitiven, aus großer Tiefe aufgestiegenen Magmen zusammensetzen, während das Material der Mittelozeanischen Rücken schon durch vulkanische Zyklen "gereift" ist. Natürlich gibt es nicht nur zwei mögliche Isotopenverhältnisse, sondern einen kontinuierlichen Übergang zwischen beiden Extremen. Das führte man bisher auf Mischungsvorgänge zwischen primitiven und entgasten Magmen zurück.

Was passiert mit dem Helium wirklich?
Parman allerdings bietet eine andere Interpretation: Gestützt auf Laborergebnisse postuliert er, dass die weit verteilten Isotopenverhältnisse in Inselbasalten eben nicht auf Mischungsvorgänge zurückgehen, sondern auf zeitliche Schwankungen der Isotopenverhältnisse im aufgeschmolzenen Material. Eine andere Isotopenzusammensetzung deutet demnach auf einen anderen Entstehungszeitpunkt.

Der springende Punkt ist, dass genau wie bei der Altersverteilung der Zirkone bestimmte Isotopenverhältnisse häufiger vorkommen als andere. Dies interpretiert Parman dahingehend, dass zu bestimmten Zeiten besonders viel Schmelze entstanden ist, in der die damalige Isotopenzusammensetzung weitgehend konserviert wurde.

Wie würde sich nun das Isotopenverhältnis mit der Zeit verändern? Da wie erwähnt die Erde kontinuierlich Helium-3 und Helium-4 verliert, aber nur ⁴He nachgeliefert wird, müssen demnach ältere Magmareservoirs mehr He-3 enthalten als jüngere. Auf diese Weise könnte man die Zeiten bestimmen, zu denen besonders viel Schmelze einer bestimmten Isotopenzusammensetzung entstanden ist. Damit hat man zwei unabhangige Proxies für die Entstehung von kontinentaler Kruste. Was passiert nun, wenn man die Heliumisotope mit den Zirkondaten korrelliert?

Aus Parman, Nature 446. Die blauen und roten Flächen rechts stellen die Isotopenverteilung im Inselbasalt (OIB ) und Basalt von mittelozeanischen Rücken (MORB ) dar, auf der x-Achse sind die Zirkone nach Alter aufgetragen (Gyr = Milliarden Jahre).

Auf den ersten Blick lassen sich beide Skalen gut miteinander korrelieren. Ein beweis ist das natürlich nicht, zumal die Alter zu den einzelnen Isotopenpeaks momentan noch nicht unabhängig bestimmt wurden, d.h. Parman konnte die y-Achse der Darstellkung so lange strecken und stauchen, bis es passte. Allerdings sagt diese Darstellung zwei wichtige Variablen, nämlich das ursprüngliche Isotopenverhältnis (roter Punkt rechts unten) bei der Entstehung der Erde vor 4.5 Milliarden Jahren sowie das heutige Isotopenverhältnis in den sehr jungen Rückenbasalten, korrekt vorher.

Parmans Modell ist jedenfalls ein großer Schritt nach vorn, es wirft allerdings auch Fragen auf. Zum einen wirft diese Sichtweise ein neues Licht auf das Verhalten von verschiedenen Isotopen im Mantel. Vor allem aber: Wenn ein  Großteil der heutigen kontinentalen Kruste schubweiseentstanden ist, was hat diese Schübe ausgelöst?

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[1] z.B. in: Taylor, S. R. & McLennan, S. M. Rev. Geophys. 33 (1995), 241?265.

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Condie, K. (1998). Episodic continental growth and supercontinents: a mantle avalanche connection? Earth and Planetary Science Letters, 163 (1-4), 97-108 DOI: 10.1016/S0012-821X(98)00178-2



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