Eine seismische Verschiebung

Von der Universität Kopenhagen – Fakultät für Gesundheits- und Medizinwissenschaften, 31. Juli 2023

Das reichlich vorhandene Wasser, das Leben und die einzigartige Plattentektonik der Erde haben ihre Geschichte geprägt. Eine neue Studie legt jedoch nahe, dass die Plattentektonik ein neues Phänomen sein könnte, bei dem der Mantel zuvor geschichtet war und möglicherweise ungestörtes Urmaterial verbarg.

Die Erde ist wirklich einzigartig unter den Planeten unseres Sonnensystems. Es gibt riesige Wassermeere und reichlich Leben. Die Besonderheit der Erde geht jedoch über ihre Artenvielfalt und ihre Ozeane hinaus – sie ist der einzige Planet in unserem Sonnensystem, der das Phänomen der Plattentektonik erlebt, einen Prozess, der für die Gestaltung seiner geologischen Struktur, seines Klimas und möglicherweise des Fortschreitens des Lebens selbst von wesentlicher Bedeutung ist .

Der Begriff „Plattentektonik“ bezeichnet die dynamische Bewegung und komplexe Interaktion tektonischer Platten entlang der Erdkruste. Diese tektonischen Platten werden durch die mühsam langsame, aber anhaltende Strömung des Erdmantels, die als Konvektion bezeichnet wird, in Bewegung gesetzt. Dieser Prozess transportiert Wärme vom inneren Kern an die Oberfläche unseres Planeten.

Forscher gehen davon aus, dass die Konvektion im Erdmantel, die kurz nach der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren begann, auf der Ebene des gesamten Erdmantels auftritt. Wenn also Platten an der Erdoberfläche kollidieren, gibt eine davon nach, sinkt in den heißen Erdmantel und landet in einer Art Plattenfriedhof auf dem metallischen Kern der Erde.

Eine neue Studie der Universität Kopenhagen, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, legt jedoch nahe, dass diese Art der Plattentektonik ein neueres Merkmal der geologischen Geschichte der Erde sein könnte.

„Unsere neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Konvektion im Erdmantel während des größten Teils der Erdgeschichte in zwei unterschiedliche Schichten geschichtet war, nämlich obere und untere Mantelregionen, die voneinander isoliert waren“, sagt Zhengbin Deng, ehemaliger Assistenzprofessor an der Universität Kopenhagen und Erstautor der neuen Studie.

Der Übergang zwischen dem oberen und unteren Erdmantel erfolgt etwa 660 km unter der Erdoberfläche. In dieser Tiefe durchlaufen bestimmte Mineralien einen Phasenübergang. Deng und Kollegen glauben, dass dieser Phasenübergang der Grund dafür sein könnte, dass die oberen und unteren Mantelregionen weitgehend isoliert blieben.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Wiederverwertung und Vermischung subduzierter Platten in den Erdmantel in der Vergangenheit auf den oberen Erdmantel beschränkt war, wo starke Konvektion herrscht. „Das unterscheidet sich stark von der heutigen Funktionsweise der Plattentektonik, bei der abtauchende Platten in den unteren Erdmantel absinken“, sagt außerordentlicher Professor Martin Schiller, der auch hinter der neuen Studie steht.

Um zu ihren Schlussfolgerungen zu gelangen, entwickelten die Wissenschaftler eine neue Methode, um hochpräzise Messungen der Isotopenzusammensetzung des Elements Titan in verschiedenen Gesteinen durchzuführen. Isotope sind Versionen desselben Elements mit leicht unterschiedlichen Massen. Die Isotopenzusammensetzung von Titan verändert sich bei der Krustenbildung auf der Erde. Dies macht Titanisotope nützlich, um zu verfolgen, wie Oberflächenmaterial wie die Kruste im Laufe der geologischen Zeit im Erdmantel recycelt wird. Mit dieser neuen Technik bestimmten sie die Zusammensetzung von Mantelgesteinen, die sich bereits vor 3,8 Milliarden Jahren bildeten, bis hin zu modernen Laven.

Wenn die Wiederverwertung und Vermischung tektonischer Platten, wie in der neuen Studie postuliert, auf den oberen Mantel beschränkt wäre, bedeutet dies, dass der untere Mantel ungestörtes Urmaterial enthalten könnte. Das Konzept eines Urmantels bezieht sich auf ein Reservoir an Mantelmaterial, das seit den frühen Stadien der Erdentstehung vor etwa 4,5 Milliarden Jahren relativ unverändert und konserviert geblieben ist.

Die Idee, dass in der Tiefe der Erde ein Urreservoir existiert, ist nicht neu und basiert auf der Isotopenzusammensetzung von Edelgasen, die in Laven moderner Tiefvulkane eingeschlossen sind. Die Interpretation dieser Daten ist jedoch nicht eindeutig, und einige haben vorgeschlagen, dass dieses Isotopensignal aus dem Erdkern und nicht aus dem tiefen Erdmantel stammt. Da Titan im Erdkern nicht vorhanden ist, bietet es eine neue Perspektive auf diese langjährige Debatte.

„Unsere neuen Titanisotopendaten ermöglichen es uns, zuverlässig zu identifizieren, welche modernen tiefsitzenden Vulkane den Urmantel der Erde beproben. Das ist spannend, weil es ein Zeitfenster in die ursprüngliche Zusammensetzung unseres Planeten bietet und es uns möglicherweise ermöglicht, die Quelle der flüchtigen Stoffe der Erde zu identifizieren, die für die Entwicklung des Lebens unerlässlich waren“, schließt Professor Martin Bizzarro, der ebenfalls hinter der Studie steht.

Referenz: „Das sich entwickelnde geodynamische Regime der Erde aufgezeichnet durch Titanisotope“ von Zhengbin Deng, Martin Schiller, Matthew G. Jackson, Marc-Alban Millet, Lu Pan, Katrine Nikolajsen, Nikitha S. Saji, Dongyang Huang und Martin Bizzarro, 26. Juli 2023, Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-06304-0