Plattentektonik- wie unser Planet in Form kam Understand article

Übersetzt von Kathrin Schäker. Die Analyse der chemischen Zusammensetzung von einigen der ältesten Gesteine unseres Planeten hat unser Verständnis von der Bildung der Kontinente revolutioniert.

Mit freundlicher Genehmigung
von Reto Stöckli, Nazmi El
Saleous and Marit Jentoft-
Nilsen, NASA GSFC

Manchmal können selbst die kleinsten Gesteinsfragmente große Geheimnisse verbergen. Unsere neuesten chemischen Analysen von afrikanischen Gesteinen haben ergeben, dass die uns bekannten Kontinente sich möglicherweise mehr als eine Milliarden Jahre früher gebildet haben als angenommen.

Unsere Erdkugel hat sich im Laufe der Zeit verändert

Die Erde ist vor ungefähr 4,6 Milliarden Jahren aus dem Material einer riesigen molekularen Wolke, dem sogenannten Solarnebel, entstanden. Die Gravitation bewirkte, dass sich dieses Material zu einer Kugel zusammenfügte – der Erde, mit dem dichtesten Material als Kern und dem weniger dichtem als Mantel. Die Erdkruste und der obere Teil des Erdmantels, aus denen sich die Lithosphäre zusammensetzt, bildeten starre Platten, die sich horizontal auf dem flexibleren unteren Teil des Erdmantels, der Asthenosphäre, bewegen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Unter der ozeanischen Kruste (A) und der kontinentalen Kruste (B) liegt der Erdmantel, bestehend aus dem oberen Mantel (C) und dem unteren Mantel (D), der Asthenosphäre. Die Erdkruste und der obere Erdmantel bilden die Lithosphäre (E).

Plattentektonische Bewegungen können Subduktionszonen hervorbringen, in denen Teile der Lithosphäre (E) in die Asthenosphäre (D) herabsinken. Subduktion ist ein langsamer Prozess, der bei hohem Druck (ungefähr 10 kilobar), einer Temperatur unter 500°C und bei einem thermalen Gradienten von weniger als 15°C pro Kilometer stattfindet.
Mit freundlicher Genehmigung von Nicola Graf

Die Organisation dieser Platten hat sich im Laufe der Jahre extrem verändert (Abbildung 2). Vor ungefähr 2,5 bis 4 Milliarden Jahren – während des Archäozoikums – bestand die Lithosphäre aus viel kleineren Erdplatten als die uns heute bekannten Kontinente. Später, im Proterozoikum, verbanden sich die Erdplatten und bildeten einen großen Superkontinent, Rodinia. So wird sich normalerweise die Situation vor 1 Milliarde Jahre vorgestellt. Danach begannen die Kontinente aus dieser Masse abzutreiben und formten so schrittweise die Erdkugel, wie wir sie heute kennen. Der Zerfall von Rodinia wird als moderne Plattentektonik bezeichnet und es wird üblicherweise vermutet, dass dies vor ungefähr 900 Millionen Jahre begann.

Abbildung 2: Die Entwicklung der Lithosphäre vom Archäozoikum bis zur heutigen Zeit:

A) Während des Archäozoikums (vor 4 bis 2,5 Milliarden Jahren) war die Lithosphäre in viele kleine Erdplatten geteilt.

B) Ungefähr vor 1 Milliarde Jahren, während des Proterozoikums, haben sich die Erdplatten vermutlich miteinander verbunden und formten eine große kontinentale Masse: Rodinia.
1: Sibiria; 2: Australien; 3: Ostantarktis; 4: Laurentia; 5: Baltica; 6: Amazonia; 7: Westafrika; 8: Kongo-Kraton; 9: Indien.

C) Als die Kontinente anfingen auseinanderzutreiben, bildete sich schrittweise die Erdkugel, wie wir sie heute kennen. Üblicherweise wird angenommen, dass dies später im Proterozoikum begann, vor ungefähr 900 Millionen Jahren.
Mit freundlicher Genehmigung von Hervé Martin (A, C), Kieff / Wikimedia Commons (B)

Nach Einsetzen dieses Prozesses kollidierten die Erdplatten. Wenn sich eine Platte unter eine andere schiebt und in den Erdmantel sinkt, wird dies Subduktion genannt (Abbildung 1). Subduktion ist ein langsamer Prozess, der bei hohem Druck (ungefähr 10 kilobar), einer Temperatur unter 500°C und bei einem thermalen Gradienten von weniger als 15°C pro Kilometer stattfindet.

Abbildung 3:
Grünsteinvorkommen im
Essakane Gebiet im
nordöstlichen Burkina Faso.
Im Vordergrund ist
metamorphes vulkanisches
Gestein, Basalt, zu sehen.

Mit freundlicher Genehmigung
von Lenka Baratoux

Die Altersbestimmung von afrikanischen Gesteinen

Wir wollten jedoch keine Plattentektonik untersuchen. Stattdessen war der Grund unserer Studie die Anwendung einer neuen Technik, um so mehr über die Bildung von metamorphen Gesteinen vor ungefähr 2 Milliarden Jahren herauszufinden. Wir dachten nicht, dass unsere Arbeit irgendeinen Zusammenhang mit Plattentektonik haben würde, es wurde gewöhnlicherweise angenommen, dass dieser Vorgang ungefähr 1 Milliarde Jahre später einsetzte.

Für den ersten Schritt unserer Untersuchung sammelten wir an hunderten verschiedenen geologischen Standorten in Afrika Proben von Grünsteinen (Abbildung 3). Es ist bekannt, dass diese Gesteine eine Metamorphose – eine Veränderung von einer Gesteinsart in eine andere – vor ungefähr 2 Milliarden Jahren durchlaufen haben. Aufgrund bereits vorhandener Erkenntnisse über die Metamorphose von Gesteinen während dieser Zeit wurde angenommen, dass sich die Grünsteine unter Bedingungen wie niedrigen Druck (nicht mehr als 5 kbar) und Temperaturen zwischen 200 bis 700°C gebildet haben.

Abbildung 4: Chemische
Landkarte eines komplexen
metamorphen Gesteins der
Quarz (A), Granat (B),
Phengit (C), Chlorit (D) und
Eisenoxide (Ox) enthält. Das
Bild wurde am ESRF unter
Benutzung von sehr starken
Röntgenstrahlen
aufgenommen.

Mit freundlicher Genehmigung
von Vincent de Andrade

Dann wurde die Zusammensetzung der Mineralien in den Gesteinen mittels Mikrosondenanalytik bestimmt. Dies ist eine Palette von Techniken und umfasst Mikroskopie und Rückstreuelektronendetektion, die zwischen schweren Elementen, die Elektronen gut streuen und leichten Elementen, die dies nicht tun, unterscheidet. Wir erstellten auch chemische Landkarten (engl. „chemical mapping“), die zeigen wo sich bestimmte Mineralien in den Proben befinden.

Abbildung 5: Hochauflösende
chemische Landkarte, die 3
Typen Eisenoxids zeigt: Ox1,
das wenig Fe3+ enthält; Ox3,
das viel Fe3+enthält und Ox2,
das eine durchschnittliche
Menge Fe3+enthält. Das Bild
wurde am ESRF unter
Benutzung von sehr starken
Röntgenstrahlen
aufgenommen.

Mit freundlicher Genehmigung
von Vincent de Andrade

Außerdem führten wir weitere Experimente an der European Synchrotron Radiation Facility (englisch für „europäische Synchrotronstrahlungsquelle“; ESRF; siehe Kasten) durch, um die sehr schwachen chemischen Strukturen in manchen unserer Proben darzustellen. Synchrotron-Röntgenstrahlung ist milliardenfach stärker als Röntgenstrahlung eines Röntgengerätes im Krankenhaus, so kann die Struktur eines Materials mit viel größerer Genauigkeit aufgelöst werden, die mit normaler Röntgenstrahlung niemals erreicht würde.

Die Verwendung von sehr dünnen Scheiben des Gesteins ermöglichte es uns die chemische Zusammensetzung zu bestimmen. Wir haben herausgefunden, dass sie Quarz, Granat, Phengit, Chlorit und Eisenoxide enthalten (Abbildung 4 und 5). Aber was teilte dies uns darüber mit, wie sich die Gesteine bildeten und unter welchen Bedingungen?

Um unsere Ergebnisse zu interpretieren, führten wir Computerberechnungen anhand der verschiedenen chemikalischen Parameter, die wir gemessen hatten, durch. Zum Beispiel analysierten wir das Verhältnis von H2O zu CO2in der Flüssigkeit, die im Quarz gefangen war und bestimmten das Verhältnis von Fe3+ zu Fe2+in den Gesteinen (Abbildung 5). Es gibt verschiedene Chlorite (z.B. Magnesiumchlorit, Eisenchlorit) und viele verschiedene Formen von Phengit (die zum Beispiel Magnesium oder Eisen enthalten können). Die genauen Chlorite und Phengite, die wir in den metamorphen Gesteinen gefunden haben, sind von den Bedingungen zur Zeit der Gesteinsbildung abhängig. Diese waren die Verhältnisse von H2O:CO2 und Fe3+:Fe2+, wie auch Druck und Temperatur. Das Messen der Verhältnisse von diesen verschiedenen Chemikalien in unseren Gesteinsproben erlaubt uns also zurück zu blicken und so die exakten Temperatur- und Druckbedingungen, bei denen sich das Gestein gebildet hat, zu errechnen.

Eine Revolution unseres Verständnisses der Plattentektonik

Mithilfe dieser Berechnungen konnten wir zeigen, dass die Chlorit- und Phengitzusammensetzung in den Gesteinen des westlichen Afrikas unter hoher Druckeinwirkung (ungefähr 10 kbar) und niedriger Temperaturen unter 500°C entstanden sind. Dies war überraschend, weil diese Druck – und Temperaturbedingungen nur in Subduktionszonen gefunden werden. Da unsere untersuchten Gesteine mehr als 2 Milliarden Jahre zurück datiert werden können, bedeuten unsere Ergebnisse, dass die moderne Plattentektonik bereits vor 2 Milliarden Jahren stattgefunden hat und daher viel früher als die vorher vermuteten 900 Millionen Jahre einsetzte.

Unsere Entdeckung hat das wissenschaftliche Verständnis der Geodynamik unserer Erde verändert. Wann genau begann also die moderne Plattentektonik? Und wie weit erstreckten sich diese gigantischen Landbewegungen? Um diese Fragen zu klären, wird unser nächster Schritt die Untersuchung von anderen Steinen gleichen und älteren Alters sein. Hierfür planen wir die Chlorit und Phengit enthaltenden metamorphen Gesteine des Yilgarn Kratons in Australien und des Baberton Gebiets in Südafrika zu untersuchen.

Mehr über die ESRF

Die European Synchrotron Radiation Facility (ESRFw1; englisch für „europäische Synchrotronstrahlungsquelle“) ist eine der stärksten Röntgenstrahlenquellen der Welt. Tausende Wissenschaftler kommen jedes Jahr zum ESRF um Experimente in Materialwissenschaften, Biologie, Medizin, Physik, Chemie, Paläontologie und Kulturwissenschaften durchzuführen. Die ESRF gehört zum EIROforumw2, dem Herausgeber vonScience in School.

Am Fuße der französischen
Alpen gelegen, benutzt die
European Synchrotron
Radiation Facility starke
Röntgenstrahlung um die
Struktur von Materialien
aufzulösen. Ein Synchrotron
ist eine Art zyklischer
Teilchenbeschleuniger: Im
ESRF bewegt sich Licht mit
großer Geschwindigkeit um
den riesigen grauen Ring.

Mit freundlicher Genehmigung
von Ginter / ESRF

 

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei Dominique Cornuéjols von der Öffentlickkeitsabteilung der ESRF für die Hilfe beim Erstellen und Übersetzen dieses Artikels.

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Web References

  • w1 – Erfahren Sie mehr über das ESRF.
  • w2 – EIROforum ist eine Zusammenarbeit von acht der größten europäischen wissenschaftlichen Forschungsorganisationen, die ihre Ressourcen, Einrichtungen und Erfahrungen verbinden, um so das volle Potential der Forschung in Europa auszunutzen. Als Teil seiner Ausbildungs- und Informationsaktivitäten veröffentlicht EIROforumScience in School.

Resources

Institution

ESRF

Author(s)

Dr Jérôme Ganne ist Leiter eines Forschungsprogramms am Research Institute for Development (IRD) im GET Lab an der Universität von Toulouse III, Frankreich und konzentriert sich in seiner Forschung auf tektonische Prozesse, die die Bildung und Zerstörung von Gebirgszügen kontrollieren. In Verbindung mit dem IRD hat er ein Team von jungen Forschern an der Universität Cheikh Anta Diop in Dakar, Senegal, zusammengestellt. Er unterrichtet auch in verschiedenen höheren Bildungsprogrammen an westafrikanischen Universitäten.

Nach dem Erhalt des Doktorgrades in Geowissenschaften ging Vincent de Andrade an die European Synchrotron Radiation Facility und arbeitete als Strahllinien – Wissenschaftler. 2010 schloss er sich als wissenschaftlicher Assistent dem National Synchrotron Light Source-II am Brookhaven National Laboratory an und entwickelte SRX, eine Spektroskopie – Strahllinie, die sehr starke Mikro – und Nanosonden umfasst. Vincent spezialisiert sich auf chemische Bildgebung von komplexen heterogenen Geomaterialien und möchte so deren Entstehung und Transformationen besser verstehen.


Review

Dieser Artikel, über die Ergebnisse in Plattentektonik zweier Wissenschaftler, vermittelt eine Kostprobe aktueller Forschung. In einem klaren und präzisen Stil vermitteln die Autoren den Lesern die Grundlagen der Plattentektoniktheorie bis zu dem Ziel ihrer Forschungen und fokussieren hierbei auf den Einfluss auf die Erdgeschichte und die Fragen, die durch diese Entdeckung aufgeworfen werden.

Als Lehrer für Geowissenschaften finde ich diesen Artikel aus verschiedenen Gründen interessant:

  • Er behandelt eine Periode der Erdgeschichte die in Schulbüchern kaum behandelt wird.
  • Er vermittelt einen interessanten Einblick in frühe Plattentektonik.
  • Er liefert Details über die Methoden und Ausrüstung, die in diesem Forschungsbereich genutzt werden.
  • Er ist ein eingängiges Beispiel für wissenschaftliche Verfahrensweisen.

Ich empfehle diesen Artikel für Lehrer weiterführender Schulen, die ihre Schüler für Geowissenschaften und Forschung im Allgemeinen begeistern möchten. Er könnte wertvolles Hintergrundwissen vermitteln, um das Interesse der Schüler zu wecken, bevor Themen angesprochen werden, so wie Mineralien und Plattentektonik, die üblicherweise als langweilig angesehen werden.

Der Text bietet verschiedenen Ansatzpunkte, nicht nur für geowissenschaftlichen Themen (Erdgeschichte, Plattentektonik, Mineralogie, der Gesteinszyklus, Afrika, Grünsteingürtel und Goldabbau), sondern auch für Chemie (Eisenoxide und Redoxreaktionen) und Physik (Röntgen – und Synchrotronstrahlungsapparate, Rasterelektronenmikroskopie, Druck, Temperatur und Phasenübergänge). Außerdem ist er ein gutes Arbeitsbeispiel um wissenschaftliche Vorgehensweisen zu diskutieren.

Wegen der Klarheit des Textes könnte der Text problemlos für Verständnisübungen verwendet werden, zum Beispiel:

  1. Unter welchen Bedingungen bildeten sich die untersuchten Materialien:
    1. hoher Druck (10 kbar) und niedrige Temperatur (weniger als 500 °C)
    2. niedriger Druck (5 kbar) und hohe Temperatur (mehr als 700 °C)
    3. niedriger Druck (5 kbar) und Temperaturen im Bereich von 200 bis 700 °C
    4. hoher Druck (10 kbar) und Temperaturen im Bereich von 200 bis 700 °C.
  2. Die Zusammensetzung der verschiedenen Arten von Chlorit und Phengit sind abhängig von:
    1. dem Verhältnis von H2O und CO2
    2. dem Verhältnis von Fe2+ zu Fe3+
    3. der Temperatur und dem Druck bei der Bildung
    4. allem oben genannten.

Giulia Realdon, Italien




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