Ozeanische Subduktion vor 1,8 Milliarden Jahren funktionierte wahrscheinlich wie heute

Plattentektonik ist ein globales Schema, das gut funktioniert und ein befriedigendes Bild der Erddynamik bietet.

Die Frage ist jedoch, seit wann dieses Schema funktioniert. Seit wann existieren Subduktionszonen (Subduktion ist die Absenkung von Ozeanplatten entlang der großen Tiefseegräben)? Was wurde aus den absinkenden Platten?

Einen Teil der Antwort lieferten jetzt Forscher des französischen CNRS und des südafrikanischen Geowissenschaftszentrums von De Beers. Sie analysierten die Isotopenzusammensetzung von Mikrodiamanten in nordwestkanadischem Vulkangestein, das 1,8 Milliarden Jahre alt ist. Die Ergebnisse der Analysen zeigen, dass Subduktion zu dieser Zeit bereits existierte und zwar in einer Form, die der heutigen Form sehr ähnlich ist. Dank des Mechanismus der Subduktion kehrt die ozeanische Lithosphäre (die im Herzen der ozeanischen Bergrücken formiert wird) in die Tiefe des Erdmantels zurück, wo sie Meerwasser und Ozeansedimente mit sich bringt. Sie erreicht allmählich einen sehr hohen Druck und hohe Temperaturen (mehr als 4 Gigapascal und 900°C), was die sogenannte Metamorphose des Gesteins verursacht. Neue charakteristische Mineralien entstehen, unter ihnen, in extremen Fällen, Diamanten.

Überdies ist Kohlenstoff ein wesentliches Element für die Entwicklung des Lebens. Atmosphärisches Kohlenstoffdioxid wird nicht nur bei biologischer Aktivität fixiert, es wird auch bei der Veränderung der Erdkruste verbraucht und schließlich als festes Carbonat gespeichert. Um dieses Defizit zu kompensieren und um eine für die biologische Aktivität ausreichende Kohlenstoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre aufrechtzuerhalten, muss man annehmen, dass Kohlenstoff vom Mantel zur Erdoberfläche transportiert wird. Die Kohlenstoffkonzentrationen im Mantel genügen jedoch nicht, um die benötigte Kohlenstoffmenge aufzubringen, die, in Anbetracht der Erdgeschichte, nötig scheint. Deshalb muss Kohlenstoff von der Erdoberfläche zum Mantel übertragen geworden sein, und der einzige dafür vorstellbare Mechanismus wären die Subduktionszonen. Bleibt zu beweisen, dass diese Subduktionszonen seit Milliarden von Jahren funktionieren.

Bisher konnten die Studien zeigen, dass flüchtige Elemente der Sedimente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Wasser sehr effizient an den Erdmantel zurückgegeben wurden. Das bisher untersuchte Metamorphosegestein, das Zeichen von sehr tiefer Einsedimentation aufweist, ist jedoch „nur“ knapp 600 Millionen Jahre alt.

Die französischen und südafrikanischen Forscher haben in den 90en Jahren Mikrodiamanten (Durchmesser weniger als 0,5 Millimeter) aus einer vulkanischen Ader im Nordwesten Kanadas, in einem Ort Namens Akluilâk, analysiert. Diese Diamanten sind hochinteressant, da sie sich in einem 1,8 Milliarden alten Gestein befinden. Dank einer Reihe von Analysen, die im Labor für Geochemie stabiler Isotope durchgeführt wurden, konnten sie in den Diamanten die Konzentration und Isotopenzusammensetzung von Stickstoff messen, welches das wichtigste Element für die Unreinheit von Diamanten ist. Die gemessenen hohen Stickstoffkonzentrationen (3750-9000 ppm) sind von den im Erdmantel formierten Diamanten verschieden, aber den Metamorphosediamanten ähnlich, die in einer Tiefe von mehr als 130 km geformt werden. Dies bedeutet, dass die Lithosphäreplatten und die flüchtigen Elemente, die sie übertragen (Kohlenstoff, Stickstoff, Wasser) sich bereits vor 2 Milliarden Jahren im Erdmantel befanden, und zwar unter Temperatur- und Druckbedingungen, die den heutigen Bedingungen ähnlich sind.

Diese Arbeit wurde im renommierten Wissenschaftsjournal „Science“ veröffentlicht.