Neudatierung: Erdmagnetfeld wirkt seit über vier Milliarden Jahren

Winzige klein sind die Zirkoneinschlüsse in Mineralproben aus der Hügellandschaft der Jack Hills in Westaustralien. Doch die Analyse dieser bis zu 4,4 Milliarden Jahre alten Kristalle liefert nun Hinweise, dass die Erde schon deutlich früher als bisher angenommen von einem Erdmagnetfeld vor Sonnenwinden geschützt wurde. Zu diesem Ergebnis kommt eine kanadisch-amerikanisches Forschergruppe um den Geophysiker John Tarduno von der University of Rochester. Es hat sogar das Potenzial, den Beginn der Plattentektonik auf einen genaueren Zeitraum festlegen zu können.

Bisher gehen Studien davon aus, dass der Geodynamo – angetrieben durch abkühlende Massenströme zwischen Erdkern und Erdmantel – seit etwa 3,45 Milliarden Jahren aktiv ist. Diese Datierung beruht auf Proben entsprechend alter Mineralproben aus Südafrika, in die bei ihrer Entstehung Richtung und Stärke des damals herrschenden Magnetfelds eingeprägt wurde. Doch Tarduno und Kollegen griffen nun zu den noch älteren Zirkon-Mineralen und unterzogen dieser einer paläo­magnetischen Analyse.

Das Team nutzte dafür ein hoch empfindliches Magnetometer, das mit seinen supraleitenden Squid-Komponenten die Stärke des beim Erstarren der Minerale eingeprägten magnetischen Felds bis auf wenige Mikrotesla genau messen konnte. Die Forscher wiesen in den weniger als einen Millimeter kleinen Zirkonproben Feldstärken von mehr als 0,6 Mikrotesla nach. Für diese relativ hohen Werte wäre ein stabiles Erdmagnet­feld nötig gewesen, da Wechsel­wirkungen etwa zwischen Atmosphäre und den geladenen Teilchen des Sonnenwinds dafür nicht ausgereicht hätten.

Zusätzlich musste Tarduno aber nachweisen, dass die gemessenen Feldstärken tatsächlich ihren Ursprung vor über vier Milliarden Jahren hatten. Denn während einer heißen Phase der Erdgeschichte vor 2,6 Milliarden Jahren herrschten in der Jack-Hill-Region Temperaturen von bis zu 475 Grad. Unter diesen Bedingungen könnte die Curie-Temperatur des Materials überschritten und das eingeprägte Magnetfeld gelöscht worden sein. Beim späteren Abkühlen hätte sich dann eine einheitliche, magnetische Signatur aus einer nachfolgenden Erdepoche einprägen können.

Tatsächlich fand Tarduno keine solche einheitliche Signatur, sondern verschiedene magnetische Ausrichtungen. Dies ließ sich nur damit erklären, dass sich bereits vor über vier Milliarden Jahren bei der Entstehung der Zirkon-Kristalle ein Magnet­feld eingeprägt hatte, dass partiell um jüngere, anders gerichtete Einprägungen erweitert wurde. So sind sich Tarduno und Kollegen sicher, dass ein Geodynamo schon vor mindestens vier Milliarden Jahren ein stabiles Erd­magnet­feld aufgebaut hatte.

Mit dieser Entdeckung muss nicht nur das Alter des Erd­magnet­felds rückdatiert werden. Da der Geodynamo seine Energie aus der Abkühlung heißer Massen zwischen flüssigem Erdkern und Erdmantel bezieht, nahmen parallel offenbar die gigantischen Umwälz­pumpen im Erdinneren ihre Arbeit auf. Diese Konvektions­ströme treiben aber auch die Bewegung der Platten in der Erdkruste an. So ist es wahrscheinlich, dass die Platten­tektonik ebenfalls hunderte Millionen Jahre früher begann als bisher angenommen wird.

Bevor nun die Erdgeschichte in diesen Punkten umge­schrieben werden muss, sind allerdings weitere Studien nötig, die die Ergebnisse von Tarduno und Kollegen untermauern könnten. Besonders für die Datierung des Beginns der Plattentektonik wird sich dieser Prozess schwierig gestalten. Denn erst vor vier Jahren analysierten Forscher von der Carnegie Institution in Washington winzige Diamanteinschlüsse, die auf die allerersten Subduktionsprozesse der Erdplatten hindeuteten. Das Ergebnis: Früher als vor drei Milliarden Jahren gab es keine Subduktion und damit keine Platten­tektonik. Nun gilt ist, mit weiteren Arbeiten diesen Widerspruch aufzulösen.

Jan Oliver Löfken

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