Wenn vulkanisches Magma unter einem Vulkan aufsteigt, können sich vor der Eruption Kristalle in der Schmelze bilden. Ihr Anteil an vulkanischem Gestein kann von unter einem Prozent bis fast zur Hälfte reichen – und ihre Zusammensetzung spiegelt die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Magmas wider. Ein ganz besonderer Kristall ist der Zirkon, chemisch Zirconium-Orthosilikat mit der Formel ZrSiO₄.
Der Clou beim Zirkon ist, dass er in geringen Mengen das in Gesteinsschmelzen vorhandene Uran und Thorium einbaut und diese Elemente dabei stark anreichert. Beide Elemente sind radioaktiv, und aus den Verhältnissen der Ausgangsisotope zu ihren Zerfallsprodukten kann verlässlich ermittelt werden, zu welchem Zeitpunkt sich Zirkon im Magma gebildet hat.
Zirkon als vulkanischer „Flugdatenschreiber“
Die Zirkonkristalle sind darin vergleichbar mit einem Flugdatenschreiber: Während ihres Wachstums zeichnen sie alle Veränderungen der wichtigen Parameter eines Magmas auf, darunter Temperatur, Kristallanteil und Schmelzzusammensetzung. Das Auslesen dieser „Blackbox“ ist allerdings nicht ganz einfach: Zirkonkristalle sind sehr klein und haben in der Regel einen Durchmesser, der demjenigen eines menschlichen Haares entspricht. Einzelne Wachstumszonen innerhalb eines Zirkonkristalls sind sogar noch winziger und umfassen nur wenige tausendstel Millimeter.
In Heidelberg verwenden wir für die Analyse von Zirkon eine Ionensonde: eine Art von Teilchenbeschleuniger, bei dem durch einen mikroskopisch fokussierten energetischen Ionenstrahl Atome aus einem Feststoff herausgeschlagen und die darin enthaltenen Isotope in einem Massenspektrometer nachgewiesen werden. Dieses vier Millionen Euro teure Gerät wurde als erstes und bislang einziges an einer deutschen Universität 2014 im Institut für Geowissenschaften aufgestellt.
Eine der besonderen Stärken der Ionensonde ist es, die wenigen Uran- und Thoriumatome aus einer Teilchenwolke verlässlich herausfiltern zu können, um daraus hoch aufgelöst die Zeitdauer des magmatischen Zirkonwachstums zu rekonstruieren.
Autor: Axel Schmitt, Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg / Ruperto Carola
