Erdkruste im Archaikum war instabil und ist in Erdmantel abgetropft

Modellrechnungen zeigen, dass die Basis der verdickten Primärkruste aufgrund hoher Dichte abgetropft und in den Mantel zurückgeflossen ist

18.12.2013

Die Temperaturen im Erdmantel waren im Archaikum, das vor vier Milliarden Jahren begann, wesentlich höher als heute. Die archaische Erdkruste, die sich unter diesen Bedingungen gebildet hatte, war nach neuen Modellrechnungen so dicht, dass große Teile davon wieder im Erdmantel recycelt wurden. Zu diesem Ergebnis kommt Dr. Tim E. Johnson von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), der sich am Institut für Geowissenschaften in der Arbeitsgruppe von Prof. Richard White, Ph.D. mit der Entwicklung der Erdkruste beschäftigt. Den Berechnungen zufolge ist die dichte primäre Kruste in Tröpfchenform senkrecht nach unten abgeflossen, während heute als Folge der Plattentektonik ozeanische Lithosphärenplatten in Subduktionszonen schräg unter eine andere Platte abtauchen. Die Befunde tragen dazu bei, die Entstehung der Kratone und der Plattentektonik und damit den Ursprung der heutigen Kontinente besser zu verstehen.

Wegen der höheren Manteltemperatur während des Archaikums dürfte die primäre Erdkruste, die sich damals bildete, sehr dick und reich an Magnesium gewesen sein. Wie Johnson und seine Co-Autoren in einem Beitrag für Nature Geoscience schreiben, ist jedoch heute von dieser Kruste kaum noch etwas vorhanden, was darauf hindeutet, dass ein Großteil wieder im Erdmantel recycelt wurde. Außerdem setzt sich Erdkruste aus dem Archaikum, die noch in einigen Gebieten wie etwa in Grönland zu finden ist, aus Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit-Komplexen zusammen, ein Indikator für eine wasserhaltige, magnesiumarme Basaltquelle. Daraus ist zu schließen, dass diese Krustenteile nicht direkt aus der magnesiumreichen Primärkruste entstanden sind. Die TTG-Komplexe gelten als die wahrscheinlich ältesten Bestandteile der Erdkruste. Sie kommen typischerweise in Kratonen vor, die den Kern der heutigen Kontinente bilden.

Anhand von thermodynamischen Berechnungen haben Dr. Tim E. Johnson und seine Kollegen der US-amerikanischen Universitäten von Maryland, Southern California und Yale University festgestellt, dass die Mineralverbindungen, die sich an der Basis der 45 Kilometer dicken magnesiumreichen Kruste gebildet haben dürften, eine größere Dichte aufweisen als die darunterliegende Mantelschicht. Um die Physik dieses Prozesses besser zu verstehen, hat Prof. Dr. Boris Kaus von der AG Geophysik und Geodynamik am Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz neue Computermodelle entwickelt, die die frühe Erde simulieren und dabei die Befunde von Johnson berücksichtigen.

Die geodynamischen Computermodelle zeigen, dass die Basis einer aus Magma gebildeten, stark verdickten und magnesiumreichen Erdkruste bei Manteltemperaturen über etwa 1.500-1.550 Grad Celsius nicht stabil gewesen, sondern aufgrund der Schwerkraft abgesunken wäre – ein als "Delamination" bezeichneter Vorgang. Die dichte Kruste würde in den Mantel "abtropfen" und so einen Kreislauf erzeugen, bei dem geschmolzenes Mantelmaterial aus der Asthenosphäre wieder neue Primärkruste bildet. Das laufende Abschmelzen von stark verdickter und abbröckelnder magnesiumreicher Kruste in Verbindung mit einer Fraktionierung von primären Magmen könnte die wasserhaltigen, magnesiumarmen Basalte erzeugt haben, die nötig wären, um als Quelle für Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit-Komplexe zu dienen. Die Überbleibsel dieser archaischen Prozesse dürften sich mit einem sehr hohen Anteil an mafischen Mineralen heute im Erdmantel befinden.