Hitze von oben: Die ersten Kontinente unseres Planeten könnten durch Einschläge großer Asteroiden vor mehr als 3,6 Milliarden Jahren entstanden sein. Diese Einschläge schmolzen die anfangs basaltische, ozeanische Erdkruste teilweise auf und lösten so die Umwandlung in silikatreiche Kontinentkruste aus, wie Forscher in „Nature“ berichten. Hinweise auf diese frühe Umwandlung liefern Zirkonkristalle im Pilbara-Kraton in Australien, einer der ältesten kontinentalen Krustenformationen weltweit.
Am Anfang gab es auf der Erde noch keine Kontinente: Ihre gesamte Kruste war vom basaltischen Gestein der ozeanischen Erdkruste geprägt. Erst später wandelte sich ein Teil dieser Kruste durch erneutes Aufschmelzen in die silikatreichere, leichtere Kontinentkruste um. Doch wo und wie diese ersten Kontinentwurzeln entstanden, ist bisher strittig. Einige Geologen vermuten, dass dies mit Beginn der Plattentektonik geschah, als erste Krustenteile in die Tiefe gedrückt und aufgeschmolzen wurden. Andere sehen eher von unten aufsteigende Magmaströme oder Schmelzprozesse unter den ersten Gebirgen als mögliche Ursachen.
Schmelze von oben statt unten
Doch es gäbe noch eine andere Erklärung, wie nun Tim Johnson von der Curtin University in Perth und seine Kollegen berichten. Für ihre Studie hatten sie Gestein aus dem australischen Pilbara-Kraton untersucht, einer bis zu 3,6 Milliarden Jahre alten Gesteinsformation, die zu den ältesten Kontinentkrusten der Erde gehört. Mittels Analysen der Mineralogie sowie der Sauerstoff-Isotope von Zirkonkristallen rekonstruierten sie den frühen Werdegang dieser Gesteine.
Das Ergebnis: Vor mehr als 3,6 Milliarden Jahren gab es tatsächlich eine Phase, in der die ursprüngliche Ozeankruste noch einmal aufgeschmolzen und chemisch verändert wurde. Die Hitze für diesen Prozess kam jedoch entgegen gängiger Theorie nicht von unten: „Die Zusammensetzung der Sauerstoff-Isotope in diesen Zirkonkristallen enthüllte einen ‚Top-Down‘-Prozess, bei dem zuerst Gestein nahe der Oberfläche aufgeschmolzen wurde, erst dann auch tiefer liegende Schichten“, berichtet Johnson.
Großes Bombardement als Auslöser?
Demnach muss die Ur-Kruste im Gebiet des Pilbara-Kratons einst von oben angeschmolzen worden sein. Aber wie? Nach Ansicht von Johnson und seinem Team kommt dafür nur ein Prozess in Frage: die großen Einschläge des Late Heavy Bombardement vor 3,8 bis 4,1 Milliarden Jahren. Gängiger Theorie nach gab es in dieser Zeit besonders viele Einschläge durch bei der Planetenbildung übrig gebliebene Brocken – ausgelöst möglicherweise durch die Wanderung von Jupiter und Saturn in ihre heutigen Bahnen.
„Da das Alter der ältesten kontinentalen Kruste in den meisten Kratons auch aus der Zeit vor 3,9 bis 3,5 Milliarden Jahren stammt, wirft dies schon länger die Frage auf, ob dies nur eine Koinzidenz ist oder ob es einen kausalen Zusammenhang gibt“, erklären die Forschenden. Erste Hinweise für eine umwandelnde Wirkung der frühen Einschläge hatten Johnson und sein Team schon vor einigen Jahren bei einer rund vier Milliarden Jahre alten Gesteinsformation in Kanada entdeckt: Das Gestein war für sein hohes Alter schon ungewöhnlich silikatreich und zeigte Spuren einer oberflächennahen Erhitzung.
Von der Ozeankruste zur Kontinentwurzel
Die aktuellen Ergebnisse vom Pilbara-Kraton erhärten nun diese Hinweise. „Unsere Ergebnisse liefern einen ersten Beleg dafür, dass die Prozesse, die letztlich die Kontinente schufen, in den großen Einschlägen ihren Anfang nahmen“, erklärt Johnson. Auf Basis ihrer Analysen haben sie den Ablauf beim Pilbara-Kraton rekonstruiert. Demnach schlug ein mindestens 30 Kilometer großer Asteroid vor rund 3,9 Milliarden Jahren in der damals noch jungen ozeanischen Kruste ein. Dabei schmolzen große Teile der Kruste auf.
Nach dem Einschlag begannen am unteren Rand der aufgeheizten, von Brüchen durchzogenen Kruste chemische Reaktionen zwischen dem Krustengestein, Wasser und Magma aus dem angrenzenden Erdmantel. In den folgenden rund 100 Millionen Jahre entstand so allmählich eine verdickte Zone aus silikathaltigem Granitgestein – eine Kontinentwurzel. „Aber nur dort, wo die Einschläge schwerwiegend genug waren, konnten diese Kontinentkerne ausreichend groß werden, um zu überdauern“, erklären Johnson und seine Kollegen.
Top-Down statt Bottom-Up
Ihrer Ansicht nach sprechen die Analysen der Pilbara-Proben und anderer alter Gesteine dafür, dass zumindest Einschläge zumindest für einen Teil der irdischen Kontinentbildung verantwortlich waren. „Die geochemischen Signaturen in alten Gesteinen aus Westaustralien und anderswo passen besser zu einem ‚Top-Down‘-Impaktmodell als zu einer ‚Bottom-Up‘-Entstehung durch einen Mantelplume“, konstatieren die Wissenschaftler.
Johnson und seine Kollegen wollen nun auch in weiteren alten Gesteinsformationen nach Indizien für eine solche „Top-Down“-Umwandlung suchen. „Wir wollen überprüfen, ob unser Modell auch anderswo anwendbar ist – was wir stark vermuten“, so Johnson. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04956-y)
Quelle: Nature, Curtin University
