Früher als erwartet: Vor 3,25 Milliarden Jahren hatte die Erde ein stabiles Geodynamo- und Magnetfeld und erlebte die erste Polaritätsumkehr. Beweise dafür liefern Gesteinsproben aus dem Pilbara-Kraton in Australien, die zwischen 3,34 und 3,18 Milliarden Jahre alt sind. Sie deuten auch darauf hin, dass die Plattentektonik zu dieser Zeit bereits aktiv war, mit relativ schnellen Veränderungen der Erdplatten. Beides zusammen weist darauf hin, dass unser Planet vor mehr als drei Milliarden Jahren geophysikalisch relativ modern war.
Das Magnetfeld der Erde ist unser wichtigster Schutz gegen harte kosmische Strahlung und entscheidend für die Bewohnbarkeit unseres Planeten. Aber wie lange gibt es diesen planetarischen Schutzschild schon? Erst mit der Verfestigung des Erdinneren entstand nach aktueller Theorie ein stabiles Erdmagnetfeld und damit die Voraussetzung für den Geodynamo. Bislang ist jedoch umstritten, wann dies geschah: Manche Studien sprechen von einer Verfestigung in der Frühzeit der Erde, andere erst vor 1,3 Milliarden Jahren oder sogar vor 550 Millionen Jahren.
Magnetfeld vor dem Geodynamo?
Das Problem: Um die Existenz eines Magnetfelds in früheren Erdzeitaltern nachzuweisen, braucht man Gesteine aus dieser Zeit, und die sind heute auf der Erdoberfläche sehr selten. Allerdings gab es bereits einige Messungen, die die Magnetisierung von Gesteinen vor mehr als drei Milliarden Jahren anzeigten. Anfang 2020 lieferten Zirkoniumkristalle sogar Hinweise darauf, dass das erste Magnetfeld vor 4,2 Milliarden Jahren existiert haben könnte.
Das würde aber bedeuten, dass dieses erste Ur-Magnetfeld schon vor dem Geodynamo existiert haben muss. Denn vor mehr als vier Milliarden Jahren konnte der Erdkern nicht fest sein: Dafür war das Innere der jungen Erde noch zu heiß. Daher postulieren einige Wissenschaftler andere exotische Formen der Magnetfeldinduktion für diese Ära.
Das Magnetfeld ist bereits 3,34 Milliarden Jahre alt
Neue Messdaten sorgen jetzt für mehr Klarheit. Alec Brenner von der Harvard University und seine Kollegen untersuchten für ihre Studie Gesteinsproben aus dem East Pilbara Craton in Australien, einer der ältesten und stabilsten Gesteinsformationen der Erde, die zwischen 3.430 und 3.180 Millionen Jahre alt sind Das Team entnahm Bohrkerne aus Gestein, das einst durch Vulkanausbrüche entstanden war, und bestimmte die Stärke und Richtung der Magnetisierung in den verschiedenen Schichten.
Die Analysen ergaben, dass die Erde vor mehr als drei Milliarden Jahren ein ausgeprägtes dipolares Magnetfeld gehabt haben muss. Die Forscher konnten sowohl in Gesteinsbohrkernen als auch in einzelnen Magnetitkörnern in den Proben Reste einer entsprechenden Magnetisierung nachweisen.
Der früheste Beweis für eine Magnetfeldumkehr
Die Messdaten zeigten auch, dass das Magnetfeld der frühen Erde vor etwa 3,25 Milliarden Jahren eine Polaritätsumkehr erfahren haben muss, einen Austausch der magnetischen Nord- und Südpole. „Das ist der älteste Beweis für eine geomagnetische Polaritätsumkehr und der älteste direkte Beweis für die Geometrie des Erdmagnetfelds“, berichten Brenner und sein Team. “Diese Polarumkehr liegt 480 Millionen Jahre weiter zurück in der Zeit als frühere zuverlässige Beweise für solche Ereignisse.”
Dies zeigt den Wissenschaftlern zufolge, dass die Erde vor 3,25 Milliarden Jahren ein stabiles Dipolfeld mit einem Geodynamo und weitgehend „modernem“ Verhalten, einschließlich periodischer Polumkehrungen, besaß. Allein in den letzten 80 Millionen Jahren könnte es 183 Polaritätsumkehrungen und kürzere Impulssprünge gegeben haben. Neue Daten deuten nun darauf hin, dass das Magnetfeld der Erde schon in seinen frühesten Tagen zu diesen Polaritätsumkehrungen tendierte.
Rekonstruierte Bewegung des Pilbara-Kratons in frühen Erdzeiten. © Brenner et al./PNAS, CC-by-nc-nd 4.0
Beweise für frühe Plattentektonik
Aber die magnetischen Messungen der Pilbara-Proben liefern auch neue Informationen über einen zweiten geodynamischen Prozess: die Plattentektonik. Bislang war auch umstritten, wann genau es angefangen hat und wie. Subtile Änderungen der Magnetorientierung in Pilbara-Gesteinsproben zeigen nun, dass selbst bei stabiler Polarität des Magnetfelds geringfügige Änderungen in der Magnetisierung des Gesteins auftraten, die mit der Zeit zunahmen Sie weisen auf eine allmähliche Drift des Pilbara-Kratons über die Erdoberfläche hin: frühe Plattentektonik.
Konkret ergaben die Messungen: „Zunächst driftete die East Pilbara vor 3,34 bis 3,35 Milliarden Jahren mit etwa 0,55 Grad pro Million Jahre nordwärts“, berichteten Brenner und sein Team. Diese Felsformation bewegte sich also mit etwa 6,1 Zentimetern pro Jahr, selbst nach heutigen Maßstäben der Plattentektonik, das ist relativ schnell. Vor 3,25 Milliarden Jahren folgte eine zweite Phase, in der die Ostpilbara ihren Breitengrad nicht mehr änderte, sondern gegen den Uhrzeigersinn rotierte.
Geodynamisch überraschend „modern“
Aus diesen Ergebnissen schließen die Forscher, dass die Erde damals nicht nur ein Magnetfeld hatte, sondern auch eine tatsächliche Plattentektonik. Denn alternative Hypothesen können nicht erklären, wie sich die Kruste so schnell bewegt haben soll. Dies ist nur möglich, wenn es bereits Plattentektonik und Mantelkonvektion nach modernem Vorbild gegeben hätte. „Die unterschiedliche Bewegung innerhalb einer beweglichen kortikalen Kappe ist der einzige Mechanismus, der mit diesen Ergebnissen übereinstimmt“, erklären Brenner und sein Team.
Zusammengenommen bedeutet das: „Unsere Daten zeichnen das Bild einer frühen Erde, die bereits geodynamisch ausgereift war“, sagt Brenner. „Es gab bereits dieselben dynamischen Prozesse, die unserem Planeten bis heute seine stabilen Bedingungen verleihen und die einst Leben entstehen und sich entwickeln ließen.“
Die Forscher wollen nun im Pilbara-Kraton nach weiteren, noch älteren Gesteinsproben suchen. Ihre Analysen könnten noch mehr Einblick in den Beginn des Geodynamos der Erde und den Beginn der Plattentektonik geben. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; doi:10.1073/pnas.2210258119)
Bestellung: Harvard University
14. November 2022
– Nadja Podbregar