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Polumkehr schon vor 3,25 Milliarden Jahren

Gab es das Erdmagnetfeld, den Geodynamo und die Plattentektonik schon in der irdischen Frühzeit?

Erdmagnetfeld
Schon vor 3,3 Milliarden Jahren könnte die Erde ein Dipol-Magnetfeld besessen haben – und sie durchlebte damals schon erste Polumkehrungen.© Petrovich9/ Getty images

Früher als gedacht: Schon vor 3,25 Milliarden Jahren besaß die Erde einen stabilen Geodynamo und ein Magnetfeld – und durchlebte die erste Umpolung. Indizien dafür liefern 3,34 bis 3,18 Milliarden Jahre alte Gesteinsproben aus dem Pilbara-Kraton in Australien. Sie legen zudem nahe, dass es schon damals eine aktive Plattentektonik mit relativ raschen Verschiebungen der Erdplatten gab. Beides zusammen spricht dafür, dass unser Planet schon vor mehr als drei Milliarden Jahren geophysikalisch relativ modern war.

Das Erdmagnetfeld ist unser wichtigster Schutz gegen harte kosmische Strahlung und für die Lebensfreundlichkeit unseres Planeten entscheidend. Doch seit wann existiert dieser planetare Schutzschirm? Gängiger Theorie nach entwickelte sich ein stabiles irdisches Magnetfeld erst, als der innere Erdkern erstarrte – und so die Voraussetzung für den Geodynamo schuf. Bisher ist allerdings strittig, wann dies geschah: Einige Studien sprechen für ein Erstarren schon in der Frühzeit der Erde, andere erst vor 1,3 Milliarden Jahren oder sogar erst vor 550 Millionen Jahren.

Magnetfeld schon vor dem Geodynamo?

Das Problem: Um die Existenz eines Magnetfelds in früheren Erdzeitaltern nachzuweisen, benötigt man Gestein aus dieser Ära – und dieses ist heute an der Erdoberfläche sehr selten. Dennoch gab es bereits einige Messungen, die auf eine Magnetisierung von mehr als drei Milliarden Jahre altem Gestein hindeuteten. Anfang 2020 lieferten Zirkonkristalle sogar Hinweise darauf, dass ein erstes Magnetfeld schon vor 4,2 Milliarden Jahren bestanden haben könnte.

Doch das würde bedeuten, dass dieses erste, primordiale Magnetfeld schon vor dem Geodynamo existiert haben muss. Denn vor mehr als vier Milliarden Jahren kann der innere Erdkern noch nicht fest gewesen sein – das Innere der jungen Erde war dafür noch viel zu heiß. Einige Wissenschaftler postulieren daher andere, exotische Formen der Magnetfeld-Induktion für diese Zeit.

Magnetfeld schon vor 3,34 Milliarden Jahren

Jetzt liefern neue Messdaten mehr Klarheit. Alec Brenner von der Harvard University und seine Kollegen haben für ihre Studie 3,43 bis 3,18 Milliarden Jahre alte Gesteinsproben aus dem östlichen Pilbara-Kraton in Australien untersucht – einer der ältesten und stabilsten Gesteinsformationen der Erde. Das Team extrahierte Bohrkerne aus dem einst bei Vulkanausbrüchen entstandenen Gestein und ermittelte die Stärke und Richtung der Magnetisierung in den verschiedenen Schichten.

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Die Analysen enthüllten: Schon vor mehr als drei Milliarden Jahren muss die Erde ein ausgeprägtes Dipol-Magnetfeld besessen haben. Reste einer entsprechenden Magnetisierung konnten die Forschenden sowohl an den Gesteinsbohrkernen wie an einzelnen Magnetitkörnchen aus den Proben nachweisen.

Ältester Beleg für eine Magnetfeld-Umpolung

Die Messdaten ergaben zudem, dass das frühe Erdmagnetfeld schon vor rund 3,25 Milliarden Jahren eine Umpolung erlebt haben muss – eine Vertauschung des magnetischen Nord- und Südpols. „Dies ist der älteste Nachweis einer geomagnetischen Umpolung und der älteste direkte Test der irdischen Magnetfeldgeometrie „, berichten Brenner und sein Team. „Diese Polumkehr liegt 480 Millionen Jahre weiter in der Vergangenheit als frühere verlässliche Belege für solche Ereignisse.“

Nach Ansicht der Wissenschaftler demonstriert dies, dass die Erde schon vor 3,25 Milliarden Jahren ein stabiles Dipolfeld mit einem Geodynamo und einem weitgehend „modernen“ Verhalten besaß – einschließlich der periodischen Polumkehr. Allein in den letzten gut 80 Millionen Jahren könnte es 183 solcher Umpolungen und kürzeren Polsprünge gegeben haben. Die neuen Daten legen nun nahe, dass das Erdmagnetfeld auch in seiner Anfangszeit schon zu solchen Umpolungen neigte.

Plattenbewegung
Rekonstruierte Bewegung des Pilbara-Kratons in der irdischen Frühzeit. © Brenner et al./ PNAS, CC-by-nc-nd 4.0

Indizien für eine frühe Plattentektonik

Doch die Magnetmessungen der Pilbara-Proben liefern auch neue Informationen zu einem zweiten geodynamischen Prozess: der Plattentektonik. Auch bei ihr ist bislang strittig, wann genau sie begann und wie. Subtile Veränderungen in der Magnetausrichtung bei den Pilbara-Gesteinsproben zeigen nun: Auch in der Zeit, in der das Magnetfeld eine stabile Polung aufwies, gab es leichte, im Laufe der Zeit zunehmende Verschiebungen in der Magnetisierung der Gesteine. Sie deuten auf eine allmähliche Drift des Pilbara-Kratons über die Erdoberfläche hin – eine frühe Plattentektonik.

Konkret ergaben die Messungen: „Zuerst, vor 3,34 bis 3,35 Milliarden Jahren, driftete Ost-Pilbara mit rund 0,55 Grad pro Millionen Jahren nach Norden“, berichten Brenner und sein Team. Diese Gesteinsformation bewegte sich demnach mit rund 6,1 Zentimeter pro Jahr – selbst nach Maßstäben der heutigen Plattentektonik ist dies relativ schnell. Vor 3,25 Milliarden Jahre folgte dann eine zweite Phase, in der Ost-Pilbara seine geografische Breite nicht mehr änderte, sich aber dafür gegen den Urzeigersinn drehte.

Geodynamisch schon verblüffend „modern“

Aus diesen Ergebnissen schließen die Forschenden, dass die Erde damals nicht nur ein Magnetfeld, sondern auch schon eine echte Plattentektonik besaß. Denn alternative Hypothesen können nicht erklären, wie sich die Kruste sonst so schnell bewegt haben soll. Dies sei nur möglich, wenn es schon damals Erdplatten und eine Mantelkonvektion nach modernem Muster gegeben habe. „Die differenzielle Bewegung innerhalb eines mobilen Krustendeckels ist der einzige Mechanismus, der mit diesen Befunden kompatibel ist“, konstatieren Brenner und sein Team.

Zusammengenommen bedeutet dies: „Unsere Daten zeichnen das Bild einer frühen Erde, die geodynamisch schon ausgereift war“, sagt Brenner. „Sie hatte schon die gleichen dynamischen Prozesse, die unserem Planeten bis heute seine stabilen Bedingungen verleihen – und die es dem Leben einst ermöglichten, zu entstehen und sich weiterzuentwickeln.“

Die Forschenden wollen nun im Pilbara-Kraton nach weiteren, noch älteren Gesteinsproben suchen. Möglicherweise geben deren Analysen dann noch mehr Aufschluss darüber, wann der irdische Geodynamo anlief und wann die Plattentektonik begann. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; doi: 10.1073/pnas.2210258119)

Quelle: Harvard University

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