Wissenschaftler schlagen eine neue Theorie der Kontinentalbildung vor

Eine neue Studie von Forschern der Penn State University legt nahe, dass Kratons, die alten Strukturen, die die Kontinente der Erde stabilisieren, vor etwa drei Milliarden Jahren durch Prozesse entstanden sind, die durch atmosphärische Verwitterung von Gesteinen ausgelöst wurden, und nicht nur durch die Entstehung stabiler Landmassen. Dies stellt traditionelle Ansichten in Frage und hat Auswirkungen auf das Verständnis der Planetenentwicklung und der lebensfördernden Bedingungen.

Uralte, weite Abschnitte der Kontinentalkruste, bekannt als Kratone, haben die Kontinente der Erde über Milliarden von Jahren durch Verschiebungen der Landmassen, Gebirgsbildung und Meeresentwicklung stabilisiert. Wissenschaftler der Penn State University haben einen neuen Mechanismus vorgeschlagen, der die Bildung von Kratonen vor etwa drei Milliarden Jahren erklären könnte und damit Licht auf eine seit langem bestehende Frage in der geologischen Geschichte der Erde wirft.

In der Zeitschrift erwähnte Wissenschaftler Natur Die Kontinente sind möglicherweise nicht als stabile Landmasse aus den Ozeanen der Erde hervorgegangen, ihr charakteristisches Merkmal ist eine granitreiche obere Kruste. Stattdessen löste die Einwirkung von Wind und Regen auf neues Gestein vor etwa 3 Milliarden Jahren eine Reihe geologischer Prozesse aus, die schließlich die Kruste stabilisierten – so dass die Kruste Milliarden von Jahren überleben konnte, ohne zerstört oder zurückgesetzt zu werden.

Wissenschaftler sagten, die Ergebnisse könnten ein neues Verständnis darüber darstellen, wie potenziell bewohnbare erdähnliche Planeten entstehen.

Implikationen für die Planetenentwicklung

„Um einen Planeten wie die Erde zu erschaffen, muss man eine kontinentale Kruste bilden und diese Kruste stabilisieren“, sagte Jesse Remink, Assistenzprofessor für Geowissenschaften an der Penn State und Autor der Studie. „Wissenschaftler haben angenommen, dass dies dasselbe ist – die Kontinente wurden stabil und tauchten dann über dem Meeresspiegel auf. Wir sagen jedoch, dass diese Prozesse getrennt sind.

Die Wissenschaftler sagten, dass Kratone sich über mehr als 150 Kilometer oder 93 Meilen von der Erdoberfläche bis zum oberen Erdmantel erstrecken, wo sie wie der Kiel eines Bootes wirken und die Kontinente im Laufe der geologischen Zeit auf oder nahe dem Meeresspiegel schweben lassen.

Durch die Verwitterung können sich schließlich wärmeerzeugende Elemente wie Uran, Thorium und Kalium in der flachen Kruste konzentrieren, sodass die tiefere Kruste abkühlen und erstarren kann. Durch diesen Mechanismus entstand eine dicke, feste Gesteinsschicht, die möglicherweise den Boden der Kontinente vor späterer Verformung geschützt hat, ein charakteristisches Merkmal von Kratonen, sagten die Wissenschaftler.

Geologische Prozesse und Wärmeproduktion

„Das Rezept zur Bildung und Stabilisierung der kontinentalen Kruste besteht darin, diese wärmeerzeugenden Elemente – die man sich als Mini-Wärmekraftmaschinen vorstellen kann – nahe der Oberfläche zu konzentrieren“, sagte Andrew Smee, Assistenzprofessor für Geowissenschaften an der Penn State und Autor des Buches Studie. Stady. „Man muss es jedes Mal tun Mais Uran, Thorium oder Kalium zerfallen unter Freisetzung von Wärme, die die Temperatur der Erdkruste erhöhen kann. Heißes Furnier ist instabil, neigt zur Verformung und bleibt nicht an Ort und Stelle.

Als Wind, Regen und chemische Reaktionen das Gestein auf den frühen Kontinenten zersetzten, trieben Sedimente und Tonmineralien in Bäche und Flüsse und wurden zum Meer getragen, wo sie schieferartige Sedimentablagerungen bildeten, die hohe Konzentrationen an Uran, Thorium und Kalium enthielten . Wissenschaftler sagten.

Diese alten metamorphen Gesteine ​​namens Gneis, die an der arktischen Küste gefunden wurden, stellen die Wurzeln der Kontinente dar, die heute an der Oberfläche freigelegt sind. Die Wissenschaftler sagten, dass Sedimentgesteine, die in diese Gesteinsarten eingebettet sind, eine Wärmekraftmaschine zur Stabilisierung der Kontinente darstellen würden. Bildnachweis: Jesse Remink

Durch Kollisionen zwischen tektonischen Platten wurden diese Sedimentgesteine ​​tief in der Erdkruste vergraben, wo die Strahlungswärme des Schiefers die untere Kruste zum Schmelzen brachte. Das geschmolzene Material würde schwimmen und zur oberen Kruste zurücksteigen, die dortigen wärmeerzeugenden Elemente in Gesteinen wie Granit einschließen und die untere Kruste abkühlen und verfestigen lassen.

Es wird angenommen, dass sich die Kratone vor 3 bis 2,5 Milliarden Jahren gebildet haben, als radioaktive Elemente wie Uran etwa doppelt so schnell zerfielen und doppelt so viel Wärme freisetzten wie heute.

Remink sagte, die Arbeit unterstreiche, dass die Zeit, in der sich Kratone im frühen Mittelerde bildeten, auf einzigartige Weise für die Prozesse geeignet sei, die möglicherweise zu ihrer Stabilität geführt hätten.

„Wir können uns das als eine Frage der Planetenentwicklung vorstellen“, sagte Remink. „Die Entstehung von Kontinenten relativ früh in ihrer Lebensdauer könnte eine der Schlüsselkomponenten sein, die man braucht, um einen Planeten wie die Erde zu erschaffen, denn dadurch entstehen sehr heiße radioaktive Ablagerungen und es entsteht eine wirklich stabile Region kontinentaler Kruste, die in der Nähe des Meeresspiegels lebt.“ ist ein großartiges Umfeld für die Ausbreitung des Lebens.“

Die Forscher analysierten die Uran-, Thorium- und Kaliumkonzentrationen von Hunderten von Gesteinsproben aus der Archaikum-Ära, als sich die Kratone bildeten, um die Strahlungswärmeproduktivität anhand der tatsächlichen Gesteinszusammensetzungen zu beurteilen. Mithilfe dieser Werte erstellten sie thermische Modelle der Kratonbildung.

„Früher untersuchten die Menschen immer wieder die Auswirkungen einer Veränderung der Strahlungswärmeproduktion im Laufe der Zeit“, sagte Smay. „Aber unsere Studie verknüpft die gesteinsbasierte Wärmeproduktion mit der Entstehung von Kontinenten, der Sedimentbildung und der Differenzierung der kontinentalen Kruste.“

Kratone, die man typischerweise im Inneren von Kontinenten findet, enthalten einige der ältesten Gesteine ​​der Erde, sind aber nach wie vor schwer zu untersuchen. In tektonisch aktiven Gebieten kann die Bildung eines Gebirgsgürtels dazu führen, dass tief in der Erde vergrabene Gesteine ​​an die Oberfläche gelangen.

Doch die Ursprünge der Kratone bleiben tief unter der Erde und unzugänglich. Die Wissenschaftler sagten, dass zukünftige Arbeiten die Beprobung des antiken Inneren von Kratonen und möglicherweise das Bohren von Kernproben umfassen werden, um ihr Modell zu testen.

„Diese metamorphen Sedimentgesteine, die schmolzen und Granit produzierten, der Uran und Thorium konzentrierte, sind wie Black-Box-Flugschreiber, die Druck und Temperatur aufzeichnen“, sagte Smay. „Wenn wir dieses Archiv öffnen können, können wir die Vorhersagen unseres Modells über den Reiseweg der kontinentalen Kruste testen.“

Referenz: „Subaerial Weathering Stabilized Continents“ von Jesse R. Remink und Andrew J. Sami, 8. Mai 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07307-1

Penn State und die US National Science Foundation stellten Mittel für diese Arbeit bereit.