Kruste dank richtiger Mischung

10.05.2017 | News

Von:  Peter Rüegg

Zum ersten Mal ist es ETH-Wissenschaftlern gelungen, die Bildung von kontinentaler Erdkruste im Archaikum mit einer Computersimulation nachzuvollziehen. Das Modell hilft, die Vorgänge, die sich vor drei bis vier Milliarden Jahren abspielten, besser zu verstehen.

Künstlerische Darstellung der Erde im Archaikum. Im flachen Wasser sind Stromatolithen, die erste Spuren von Leben, zu finden. Grafik: Tim Bertelink, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org
Künstlerische Darstellung der Erde im Archaikum. Im flachen Wasser sind Stromatolithen, die ersten Spuren von Leben, zu finden. (Grafik: Tim Bertelink, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org)

Wie gegenwärtig kontinentale Kruste entsteht, lässt sich mit dem Modell der Plattentektonik gut untersuchen. Unklar ist hingegen, wie sich die kontinentale Kruste im Archaikum gebildet haben könnte, also in der Zeit vor drei bis vier Milliarden Jahren, als es noch keine Plattentektonik gab.

Nun stellen Geophysiker um Antoine Rozel, Oberassistent am Institut für Geophysik der ETH Zürich, in der Fachzeitschrift «Nature» ein Computermodell vor, das die wissenschaftliche Debatte befeuern dürfte. Mit ihrem Modell konnten sie erstmals den Ursprung von früher kontinentaler Kruste nachbilden. Dies war bislang eine besondere Knacknuss.

Venus oder Io?

Für das Computermodell standen den Forschern zwei gegensätzliche Erklärungsansätze Pate: Der eine Ansatz postuliert, dass sich das Krustenmaterial im Archaikum ausschliesslich aufgrund von Vulkanismus aufbaute, so wie es für den Jupitermond Io vorgeschlagen wurde. Der andere Ansatz hingegen geht davon aus, dass sich Kruste durch Anlagerung von Magma, die in der Kruste warm blieb, bildete, so wie dies Forscher für die Venus vermuten.

Vergleich  
Venus, Erde und Io: Mit unterschiedlichen Modi zu einer Kruste. (Bilder: NASA)

Die Simulationen der ETH-Forscher konnten beide Extrempositionen nicht bestätigen: Weder mit dem einen noch mit dem anderen Ansatz entwickelt sich eine kontinentale Kruste, die so zusammengesetzt ist wie sie aufgrund von Feldbeobachtungen sein müsste.

Temperatur und Druck eng definiert

«Die Gesteine der ursprünglichen kontinentalen Kruste konnten sich nur unter relativ eng definierten Temperatur- und Druckbedingungen formen. In beiden Extremvarianten sind diese Bedingungen nicht gegeben», erklärt Rozel. «Entsteht neue Kruste nur durch Vulkane, bei denen das Magma an der Erdoberfläche sofort abkühlt, entsteht eine Kruste, die zu kalt ist. Umgekehrt wird die Kruste beim anderen Ansatz heisser als sie sein dürfte.»

Schema Krustenbildung
Kruste bildete sich wahrscheinlich durch Vulkanismus und Anlagerung von Magma, die in der Kruste warm blieb. (Grafik: Antoine Rozel / ETH Zürich)

Optimal ist hingegen, wenn die Kruste durch eine Mischung der zwei Mechanismen entsteht. Ideal ist, wenn sich ungefähr 30 Prozent der neuen Kruste durch Vulkanismus bildet. In diesem Fall entsteht eine Gesteinszusammensetzung, wie man sie beispielsweise an der Westküste Grönlands findet.

Zweidimensional, global

Damit die Forscher ihr Modell rechnen könnten, mussten sie allerdings einige Abstriche machen. Ihr Modell ist zwar ein globales, dafür ist es nur zweidimensional. «Wollten wir eine hohe regionale Auflösung und ein dreidimensionales Modell, müssten wir mindestens zehn Jahre lang auf einem Supercomputer rechnen», sagt Rozel.

In ihrem Modell berücksichtigen die Forscher verschiedene Grössen wie Temperatur, Druck, Wassergehalt des Gesteins oder dessen Viskosität. Um die Parameter mit unterschiedlichen Werten zu testen, simulierten die Forscher die Vorgänge bis zu 100 Mal.

Literaturhinweis

Rozel A, Golabek GJ, Jain C, Tackley PJ, Gerya T. Continental crust formation on early Earth controlled by intrusive magmatism. Nature, AOP 9th May 2017. doi: 10.1038/nature22042

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26.06.2017
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