Polumkehr schon vor 3,25 Milliarden Jahren – Gab es das Erdmagnetfeld, den Geodynamo und die Plattentektonik schon in der irdischen Frühzeit?

Früher als erwartet: Vor 3,25 Milliarden Jahren hatte die Erde einen stabilen Geodynamo und ein Magnetfeld – und erlebte die erste Polaritätsumkehr. Beweise dafür liefern Gesteinsproben aus dem Pilbara-Kraton in Australien, die 3,34 bis 3,18 Milliarden Jahre alt sind. Sie deuten auch darauf hin, dass es zu dieser Zeit bereits eine aktive Plattentektonik gab, bei der sich die Erdplatten relativ schnell bewegten. Beides zusammen weist darauf hin, dass unser Planet vor drei Milliarden Jahren geophysikalisch relativ modern war.

Das Magnetfeld der Erde ist unser wichtigster Schutz gegen harte kosmische Strahlung und für das Überleben unseres Planeten von entscheidender Bedeutung. Aber seit wann gibt es diesen Erdschutzschirm? Nach aktueller Theorie entwickelte sich ein stabiles Erdmagnetfeld erst, als sich der Erdkern verstärkte – und damit die Voraussetzungen für einen Geodynamo schuf. Umstritten ist jedoch, wann es dazu kam: Manche Studien sprechen für die Erstarrung in der Frühzeit der Erde, andere erst vor 1,3 Milliarden Jahren oder sogar vor 550 Millionen Jahren.

Magnetfeld vor Geodynamo?

Das Problem: Um das Vorhandensein von Magnetfeldern in früheren Erdzeitaltern nachzuweisen, benötigt man Gesteine ​​aus dieser Zeit – und die sind heute auf der Erdoberfläche sehr selten. Allerdings gab es bereits einige Messungen, die auf einen über drei Milliarden Jahre alten Gesteinsmagneten hindeuteten. In den frühen 2020er Jahren lieferten Zirkoniumkristalle den Beweis, dass das erste Magnetfeld vor 4,2 Milliarden Jahren existierte.

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Das würde aber bedeuten, dass dieses erste, primitive Magnetfeld schon vor dem Geodynamo existierte. Denn vor mehr als vier Milliarden Jahren konnte sich der Erdkern nicht verfestigen – dazu war das Innere der jungen Erde noch zu heiß. Daher schlagen einige Wissenschaftler vorerst andere, andere Formen der Magnetfeldinduktion vor.

Magnetfeld schon vor 3,34 Milliarden Jahren

Neue Messdaten sorgen nun für mehr Klarheit. Alec Brenner von der Harvard University und seine Kollegen untersuchten für ihre Studie 3,43 bis 3,18 Milliarden Jahre alte Gesteinsproben aus Australiens östlichem Pilbara-Kraton – den ältesten und stabilsten Gesteinsformationen der Erde. Das Team entnahm einst Bohrkerne aus dem Gestein, das durch den Ausbruch des Berges entstanden war, und bestimmte die Stärke und Richtung der Magnete in den verschiedenen Schichten.

Die Analyse zeigt, dass es vor drei Milliarden Jahren ein ausgeprägtes Dipol-Magnetfeld auf der Erde gegeben haben muss. Sowohl im Gesteinsbohrkern als auch in einzelnen Magnetkörnern der Probe konnten die Forscher Reste eines damit verbundenen Magnetismus nachweisen.

Alte Beweise für Magnetfeldumkehrungen

Die Messdaten zeigen auch, dass das Magnetfeld der frühen Erde vor etwa 3,25 Milliarden Jahren möglicherweise eine Polaritätsumkehr erfahren hat – die magnetischen Nord- und Südpole wechseln sich ab. „Dies ist der älteste Beweis für eine geomagnetische Polaritätsumkehr und die älteste direkte Untersuchung der Magnetfeldgeometrie der Erde“, berichten Brunner und sein Team. „Diese Polarumkehr liegt 480 Millionen Jahre weiter in der Vergangenheit als frühere verlässliche Beweise für solche Ereignisse.“

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Laut den Wissenschaftlern deutet dies darauf hin, dass die Erde bereits vor 3,25 Milliarden Jahren ein stabiles Dipolfeld mit Geodynamo und ein weitgehend „modernes“ Verhalten aufwies – einschließlich periodischer Polumkehrungen. Allein in den vergangenen 80 Millionen Jahren hat es 183 solcher Polaritätsumkehrungen und kurzen Polsprünge gegeben. Neue Daten deuten nun darauf hin, dass das Magnetfeld der Erde in seinen frühen Tagen auf solche Polaritätsumkehrungen hindeutete.

Plattenbewegung
Strukturelle Bewegung des Pilbara-Kratons während der frühen Erde. © Brenner et al./PNAS, CC-by-nc-nd 4.0

Beweise für frühe Plattentektonik

Aber auch magnetische Messungen an Pilbara-Proben liefern neue Informationen über einen anderen geodynamischen Prozess: die Plattentektonik. Bislang ist auch umstritten, wann und wie es angefangen hat. Subtile Änderungen der Magnetisierungsrichtung in Pilbara-Gesteinsproben zeigen nun, dass das Magnetfeld zwar in der Polarität stabil war, es jedoch leichte Schwankungen in der Magnetisierung des Gesteins gab, die mit der Zeit zunahmen. Sie beziehen sich auf die allmähliche Drift des Pilbara-Kratons über die Erdoberfläche – frühe Plattentektonik.

Konkret ergaben die Messungen: „Zuerst bewegte sich die East Pilbara vor 3,34 bis 3,35 Milliarden Jahren mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,55 Grad pro Million Jahre nach Norden“, berichteten Brenner und sein Team. Diese Gebirgsformation bewegte sich also mit einer Geschwindigkeit von etwa 6,1 cm pro Jahr – obwohl das nach heutigen Maßstäben der Plattentektonik relativ schnell ist. Eine weitere Phase ereignete sich vor 3,25 Milliarden Jahren, in der die Ostpilbara ihren Breitengrad nicht mehr änderte, sondern sich im Uhrzeigersinn drehte.

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Ästhetisch überraschend „modern“

Aus diesen Erkenntnissen schlossen die Forscher, dass die Erde damals nicht nur ein Magnetfeld hatte, sondern auch eine echte Plattentektonik. Denn alternative Hypothesen können nicht erklären, wie sich die Kruste so schnell bewegt haben soll. Dies ist nur möglich, wenn nach modernen Modellen bereits tektonische Platten und Mantelkonvektion vorhanden sind. „Die unterschiedliche Bewegung innerhalb der beweglichen Kristallschicht ist der einzige Mechanismus, der mit diesen Ergebnissen übereinstimmt“, erklären Berner und sein Team.

Zusammengenommen bedeutet das: „Unsere Daten zeichnen das Bild einer frühen Erde, die bereits geodynamisch ausgereift war“, sagt Brunner. „Er hatte bereits die gleichen dynamischen Prozesse, die unserem Planeten heute seine stabilen Bedingungen verleihen – und er ließ einst Leben entstehen und sich entwickeln.“

Forscher wollen nun weitere, noch ältere Gesteinsproben im Pilbara-Kraton finden. Ihre Analyse könnte noch mehr Informationen darüber liefern, wann der Geodynamo der Erde begann und wann die Plattentektonik begann. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; doi: 10.1073/pnas.2210258119)

Quelle: Harvard-Universität

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