Die Plattentektonik ist verantwortlich für die heutige Gestalt unserer Erde. Doch wann hat sie eingesetzt? Hinweise darauf haben Forscher nun anhand von winzigen Zirkon-Kristallen mit einem Alter von 3,3 bis 4,15 Milliarden Jahren gefunden. Die geochemische Zusammensetzung dieser Kristalle legt nahe, dass die ältesten entstanden sind, bevor sich die Erdkruste in Bewegung setze. Zirkone mit einem Alter von bis zu 3,8 Milliarden Jahren dagegen scheinen sich in Bereichen gebildet zu haben, wo sich eine Erdplatte unter eine andere schob. Damit liefern die Kristalle den bisher frühesten Hinweis auf die Anfänge der Plattentektonik.

Einblicke in die Frühzeit der Erde sind rar. Kaum ein Material hat die Milliarden Jahre überdauert und ließe sich heute noch untersuchen. Einer der Gründe dafür ist das sogenannte „Recycling“ der Erdkruste. Dabei schiebt sich eine tektonische Platte unter eine andere. Das dabei in die Tiefe gedrückte Krustenmaterial wird im Erdmantel aufgeschmolzen. An mittelozeanischen Rücken wiederum steigt Mantelmaterial auf und bildet neue Erdkruste. Doch ein außergewöhnliches Mineral kann selbst die extremen Bedingungen bei diesem Recycling-Prozess überstehen: Zirkon, das älteste bekannte Mineral der Erde. Wie Zeitkapseln bieten die Kristalle eine Möglichkeit, Rückschlüsse auf die Bedingungen auf der Erde vor rund vier Milliarden Jahren zu ziehen.

Spurensuche in Kristallen

Ein Team um Nadja Drabon von der Harvard University in Cambridge hat nun eine Reihe von Zirkonen untersucht, die 2018 bei Grabungen im Barberton Greenstone Belt in Südafrika entdeckt wurden. Die sandkorngroßen Kristalle bildeten sich zu verschiedenen Zeitpunkten in der Zeitspanne zwischen 4,15 und 3,3 Milliarden Jahren, also genau in jener Zeit, in der nach bisherigen Erkenntnissen die Plattentektonik eingesetzt haben muss. Anhand einer chronologischen Reihe von 33 Zirkon-Kristallen konnten die Forscher nachvollziehen, wie sich die Erdkruste in diesen 800 Millionen Jahren entwickelt hat.

Dabei legten sie das Augenmerk auf drei verschiedene geochemische Merkmale der gefundenen Kristalle: die Hafnium-Isotope, die Sauerstoff-Isotope und die Zusammensetzung der Spurenelemente. Jedes dieser Merkmale lieferte ihnen ein anderes Teil des Puzzles. So gaben die Hafnium-Isotope Hinweise auf die Entstehung und Entwicklung der Erdkruste, die Sauerstoff-Isotope darauf, ob es Ozeane gab, und die Spurenelemente auf die Zusammensetzung der Kruste.

Umbruch vor 3,8 Milliarden Jahren

Das Ergebnis: Die Hafnium-Isotope und Spurenelemente in den ältesten Zirkone zeigten, dass diese in einer globalen „Protokruste“ entstanden sind, die über Millionen Jahre hinweg stabil war. Zirkone dagegen, die 3,8 Milliarden Jahre und jünger sind, scheinen sich in Gesteinen gebildet zu haben, die einem ähnlichen Druck und einer ähnlichen Schmelze ausgesetzt waren wie moderne Subduktionszonen, also die Bereiche, in denen sich eine Platte unter eine andere schiebt. „Bei 3,8 Milliarden Jahren kommt es zu einer dramatischen Verschiebung: Die Kruste wird destabilisiert, neue Gesteine entstehen und die geochemischen Signaturen ähneln immer mehr dem, was wir in der modernen Plattentektonik sehen“, beschreibt Drabon.

Das deutet darauf hin, dass sich die Erdkruste vor etwa 3,8 Milliarden Jahren in Platten aufteilte, die in der Folge begannen, sich gegeneinander zu verschieben. „Bei den Sauerstoff-Isotopen dagegen ist zunächst keine signifikante Veränderung zu beobachten“, berichten die Forscher. Erst bei Zirkonen, die 3,5 Milliarden Jahre oder jünger sind, zeigen sich Hinweise darauf, dass sie in älteren, durch Kontakt mit flüssigem Wasser veränderten Krustenteilen entstanden sind. Dies könnte auf die Existenz schon weiter entwickelter Erdplatten und die vulkanische Aktivität an Inselbögen und anderen ans Meer grenzenden Plattengrenzen hindeuten.

Globaler Wandel

Ihre Ergebnisse verglichen die Forscher auch mit Daten über alte Zirkone aus anderen Teilen der Welt. „Wir sehen Beweise für einen bedeutenden Wandel auf der Erde vor etwa 3,8 bis 3,6 Milliarden Jahren, und die Entwicklung zur Plattentektonik ist eine klare Möglichkeit“, sagt Drabon. „Die Aufzeichnungen, die wir für die früheste Erde haben, sind sehr begrenzt, aber wenn man einen ähnlichen Übergang an so vielen verschiedenen Orten sieht, ist es wirklich denkbar, dass es sich um eine globale Veränderung der Krustenprozesse gehandelt haben könnte. Es fand eine Art Umstrukturierung auf der Erde statt.“

Quelle: Nadja Drabon (Harvard University, Cambridge) et al., AGU Advances, doi: 10.1029/2021AV000520

© wissenschaft.de – Elena Bernard