Der Ursprung der Kontinente

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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.

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

6 Kommentare

  1. Unübersichtlich

    Dieser Text ist sehr unübersichtlich!!!Ich finde auf dieser Site gar nichts. Eigentlich wollte ich nur etwas über das Helium-3 Vorkommen der hawaiianischen Vulkane suchen, doch jetzt werden ich versuchen diese Website so schnell wie möglich wieder zu verlassen und ich ratte allen das gleich zu tun!!!

  2. Da ergeben sich eine Menge Fragen und Anmerkungen:

    “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 […] korrekt vorher.” Woher weiss man dieses Verhältnis denn? Von Chondriten?

    “Wenn ein Großteil der heutigen kontinentalen Kruste schubweise entstanden ist, was hat diese Schübe ausgelöst?” Diese Schübe an Zirkon repräsentieren im eigentlichen ja die großen kontinentalen Kollisionen, Superkontinente entstehen und zerfallen durch Flutbasalt Ereignisse (oder besser gesagt das was diese antreibt) auch wieder.

    “Praktischerweise enthalten Zirkone radioaktive Verunreinigungen wie Uran oder Thorium” Uran bzw Thorium sind im Kristallgitter von Zirkon eingebaut, das is schon n bisschen was anderes 😉

    “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.”

    Nunja es gibt wohl nicht die eine Entstehung kontinentaler Kruste, sondern wohl mehrere Mechanismen und Abfolgen. Die ältesten Schilde der Erde die zum Teil hädaisches Alter haben repräsentieren schon erkennbar an den relativ geringen SiO2 Gehalten sehr primitive Kruste, während beispielsweise Granite der mitteleuropäischen Grundgebirge sehr weit entwickelte I-Typ, S-Typ und A-Typ Granite beherbergen. Eine kleine Literaturempfehlung zur Problematik der Krustengenese: S. Taylor, S. McLennan: Planetary Crusts

  3. Uff… Das ist ja nun alles schon ein bisschen her, insofern die Antworten ohne Gewähr.

    Bei Punkt 1 bezieht sich das “urtümliche” Isotopenverhältnis auf Asteroiden und Kometen, je nachdem um welches Material es geht. Das ist ziemlich Standard in vielen Kontexten, da verweise ich mal auf die Literatur.

    Dass die Schübe an Krustenzuwachs mit den Superkontinenten zusammenfallen, wäre mir neu und erscheint mir auf den ersten Blick nicht plausibel. Und dass Flutbasalte mit dem Zerfall von Kontinenten bzw Superkontinenten zu tun haben sollen, hab ich so auch noch nie gehört. Da sind die Zeitskalen nach meinem Verständnis auch viel zu unterschiedlich.

    Dass Fremdatome im Kristallgitter eingebaut sind, macht sie nicht weniger zu Verunreinigungen des Wirtsgitters. Da seh ich grad nicht, worauf du hinaus willst.

    Auf jeden Fall danke für die Anmerkungen. Würde mich freuen, wenn du speziell das mit den Superkontinenten noch konkretisieren könntest.

  4. Schon mal sorry dass es so lang geworden ist.

    1. Ich fang mal mit den Flutbasalten an. Diese werden wohl von der Mehrheit der Geologen mittlerweile als Plume-“Köpfe” interpretiert siehe zB diese Grafik http://pyriteslayer.com/wp-content/uploads/2012/07/Mantle_Plume_Model.jpeg Heute weiss man dass die Etendeka Flutbasalt Provinz in Namibia und die Parana Flutbasalt Provinz in Südamerika einst zusammengehörten. Über den gesamten atltantischen Ozean verläuft am Meeresboden eine magmatische Spurbis hin zum Mittelozeanischen Rücken wo sich die Insel Tristan da Cunha befindet und die heute noch aktiver Hotspot ist.
    2.0 Vorweg. Ich glaube der eigentliche Irrtum der hier vorausgeht hat mit den Magmen an Subduktionszonen zu tun. Der aktuelle Trend der Magmengenese Modelle einer 0815 Subduktionszone ist der, dass hier vor allem subduzierte Sedimente (also letztlich ehemalige/recycelte kontinentale Kruste) aufgeschmolzen wird, natürlich kontaminiert vom oberen Erdmantel.
    2.1 Wieso sollen diese Schübe bei Orogenesen entstehen? Dazu muss man natürlich sagen dass es ein mehrphasiger Weg hin zur kontinentalen Kruste ist. Letztlich ist meine Interpretation der Grafik mit den juvenilen Zirkonen die, dass hier bisher im eigentlichen Kruste die nicht wirklich ozeanische aber auch noch nicht wirklich kontinentale Kruste war (also ozeanische Plateaus, Inselbögen usw), an einen Kontinent angeschweisst wird (Fachbegriff Akkretion). In der Folge findet während der Gebirgsbildung eine Differentiation der Kruste statt, bei der der Stockwerkaufbau der Kruste/Lithosphäre entsteht. Dieser Vorgang lässt sich vereinfacht so beschreiben, dass SiO2 reiche Magmen (ua Granite) in der Kruste aufsteigen während die Unterkruste zum Teil so viel SiO2 verliert, dass sie so viel dichter wird dass sie in den Erdmantel absinkt (Delamination).
    2.2 Der Superkontinentzyklus. Der Erdmantel besitzt wohl eine bestimmte Umwalzdauer in seinen Konvektionsbewegungen. Letztlich werden wohl durch absinkende „slabs“ an der Kern-Mantel Grenze Plumes ausgelöst (siehe Burke et al).
    3. Für mich der letztlich immer ein komplettes Mineral/Gestein vor Augen hat, ist eine Verunreinigung wirklich etwas das nichts mehr mit dem Handstück zu tun hatte und erst sekundär durch eine Alteration (beispielsweise chemische Verwitterung) in das Mineral gelangte.

    Wie ich nachdem ich das geschrieben habe feststelle gibt es da auch noch ein paar Paper von Interesse:

    – C. Hawkesworth, et al (2009): A matter of preservation
    – K. Burke, et al (2008): Plume generation zones at the margins of large low shear velocity provinces on the core-mantle boundary.

  5. OK, ich lass das erstmal so stehen und lese die Papers. Danke auf jeden Fall schon mal.
    Ich bin bei einigen Argumenten grad nicht sicher, ob ich sie richtig verstanden habe.

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