Die Plattentektonik der Erde hat sich in letzter Zeit stark verändert

Rost-9D/iStock

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In einer überraschenden Entdeckung vermuten Wissenschaftler, dass die Plattentektonik der Erde in der fernen Vergangenheit möglicherweise ganz anders funktioniert hat, so eine gestern (27. Juli) in Nature veröffentlichte Studie.

Die neuen Erkenntnisse stellen die traditionelle Annahme in Frage, dass die Mantelkonvektion kurz nach der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren begann und sich über den gesamten Mantel erstreckte.

Stattdessen argumentiert die Studie, dass die Plattentektonik in der Frühgeschichte der Erde auf den oberen Erdmantel beschränkt war.

Angenommen, diese Schichtung wäre wahr, dann könnte der untere Mantel ungestörtes Urmaterial beherbergen, das Einblicke in die ursprüngliche Zusammensetzung der Erde und eine potenzielle Quelle essentieller flüchtiger Stoffe bietet, die für die Entwicklung des Lebens notwendig sind.

Bei der Plattentektonik geht es um die Bewegung und Interaktion tektonischer Platten auf der Erdoberfläche. Sie sind der Grund für alle Erdbeben, Vulkane und Bergbildungen (um nur einige zu nennen).

Diese Platten sind Teil der Erdkruste und ihre langsame Bewegung wird durch die Konvektionsströme im Mantel – der Schicht unter der Erdkruste – angetrieben. Zur Auffrischung hier ein Bild der inneren Struktur der Erde:

Srimadhav/Wikimedia Commons

Nach traditionellem Verständnis besteht die Mantelkonvektion seit der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren und wirkte als einzelne Schicht.

Eine neue Studie argumentiert nun jedoch, dass dieses „einschichtige Szenario“ ein relativ neues Merkmal der geologischen Geschichte der Erde ist.

„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“, erklärte Erstautor Zhengbin Deng von der Universität Kopenhagen in einem Artikel Stellungnahme.

Die Autoren gehen davon aus, dass die Schichtung etwa 660 Kilometer (km) unter der Erdoberfläche stattgefunden hätte, wo bestimmte Mineralien einen Phasenübergang durchlaufen.

„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“, fügte Co-Autor Martin Schiller hinzu.

„Dies unterscheidet sich stark von der heutigen Funktionsweise der Plattentektonik, bei der abtauchende Platten in den unteren Erdmantel absinken.“

Die Forscher entwickelten eine neue Methode zur Analyse der Isotopenzusammensetzung von Titan in Gesteinen, die es ihnen ermöglichte, Mantelgesteine ​​aus der Zeit vor 3,8 Milliarden Jahren bis hin zu modernen Laven in Australien zu untersuchen.

Titanisotope sind besonders nützlich, da sie sich bei der Bildung der Erdkruste verändern. Diese helfen Wissenschaftlern dabei, zu verfolgen, wie Oberflächenmaterial im Laufe der Zeit im Erdmantel recycelt wird.

Die Ergebnisse der Studie haben auch interessante Implikationen für die Existenz eines „Urmantels“ – eines Reservoirs an Mantelmaterial, das seit der frühen Entstehung der Erde erhalten geblieben ist.

Wenn das Recycling und Mischen tektonischer Platten auf den oberen Mantel beschränkt wäre, könnte der untere Mantel ungestörtes Urmaterial enthalten.

„Unsere neuen Titanisotopendaten ermöglichen es uns, zuverlässig zu identifizieren, welche modernen tiefsitzenden Vulkane den Urmantel der Erde beproben“, betonte Co-Autor Professor Martin Bizzarro.

„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 von Leben unerlässlich waren.“

Während weitere Forschung erforderlich ist, um die Auswirkungen dieser Entdeckungen vollständig zu erfassen, stellt die Studie einen bedeutenden Fortschritt beim Verständnis der geologischen Vergangenheit und der einzigartigen Merkmale der Erde dar.

Die vollständige Studie wurde am 27. Juli in Nature veröffentlicht und ist hier zu finden.

Studienzusammenfassung:

Der Erdmantel hat eine zweischichtige Struktur, wobei die oberen und unteren Mantelbereiche durch eine seismische Diskontinuität bei etwa 660 km getrennt sind (Ref. 1,2). Das Ausmaß des Stofftransfers zwischen diesen Manteldomänen im Laufe der Erdgeschichte ist jedoch kaum bekannt. Die Extraktion der kontinentalen Kruste führt zu einer Ti-stabilen Isotopenfraktionierung, wodurch isotopenleichte Schmelzrückstände entstehen3,4,5,6,7. Das Recycling dieser Komponenten im Mantel kann zu einer Ti-Isotopenvariabilität führen, die in der Tiefe verfolgt werden kann. Wir berichten über ultrahochpräzise 49Ti/47Ti-Verhältnisse für Chondrite, alte, aus dem Erdmantel stammende Laven vor 3,8 bis 2,0 Milliarden Jahren (Ga) und moderne Ozeaninselbasalte (OIBs). Unsere neue, auf Chondriten basierende Schätzung der Ti-Bulk-Silicat-Erde (BSE) ist 0,052 ± 0,006 ‰ schwerer als der moderne obere Erdmantel, der anhand normaler mittelozeanischer Rückenbasalte (N-MORBs) beprobt wurde. Das 49Ti/47Ti-Verhältnis des oberen Erdmantels war vor 3,5 Ga chondritisch und entwickelte sich zu einer N-MORB-ähnlichen Zusammensetzung zwischen etwa 3,5 und 2,7 Ga, was belegt, dass in dieser Epoche mehr kontinentale Kruste abgebaut wurde. Der +0,052 ± 0,006‰-Versatz zwischen BSE und N-MORBs erfordert, dass <30 % des Erdmantels mit recyceltem Krustenmaterial ins Gleichgewicht gebracht werden, was einen begrenzten Massenaustausch zwischen dem oberen und unteren Mantel und damit die Erhaltung eines ursprünglichen Reservoirs im unteren Erdmantel impliziert den größten Teil der geologischen Geschichte der Erde. Moderne OIBs weisen variable 49Ti/47Ti-Verhältnisse auf, die von chondritischen bis hin zu N-MORBs-Zusammensetzungen reichen, was auf eine anhaltende Störung des Urmantels der Erde hinweist. Somit stellt die moderne Plattentektonik mit hohem Massentransfer zwischen dem oberen und unteren Erdmantel nur ein neues Merkmal der Erdgeschichte dar.