Foto mit freundlicher Genehmigung von Paul Mueller
Was sind die ältesten Gesteine der Erde, und wie sind sie entstanden? Das Material, das den größten Aufschluss über diese grundlegenden Fragen gibt, weil es Aufzeichnungen über einen Teil der frühesten Erdgeschichte enthalten kann, ist ein Mineral namens Zirkon. Ein paar Zirkonkörner, die Anfang der 1990er Jahre in einem Sandstein aus Westaustralien gefunden wurden, sind 4,2 bis 4,3 Milliarden Jahre alt, und wir wissen von Meteoriten, dass die Erde mit 4,56 Milliarden Jahren nicht viel älter ist. Die Geologieprofessoren Darrell Henry von der Louisiana State University und Paul Mueller von der University of Florida sind Experten in der Anwendung verschiedener Techniken, mit denen genaue Altersangaben aus Zirkonen gewonnen werden können. Sie suchen nach einigen der ältesten Gesteine in der kontinentalen Kruste, nach den Zirkonen in ihnen und nach den Hinweisen, die die Zirkone über die Entstehung des Planeten enthalten.
Ursprünglich durch Kristallisation aus einem Magma oder in metamorphen Gesteinen entstanden, sind Zirkone so haltbar und widerstandsfähig gegen chemische Angriffe, dass sie selten verschwinden. Sie können viele geologische Ereignisse überleben, die in Ringen aus zusätzlichem Zirkon aufgezeichnet werden können, die wie Baumringe um den ursprünglichen Kristall wachsen. Wie eine winzige Zeitkapsel zeichnet der Zirkon diese Ereignisse auf, von denen jedes einzelne Hunderte von Millionen von Jahren dauern kann. In der Zwischenzeit bleibt der Kern des Zirkons selbst unverändert und bewahrt die chemischen Eigenschaften des Gesteins, in dem er ursprünglich kristallisierte.
Zirkon enthält das radioaktive Element Uran, das Dr. Mueller als „die Uhr im Zirkon“ bezeichnet, weil es sich über einen langen Zeitraum hinweg mit einer bestimmten Rate in das Element Blei umwandelt. Laut Mueller macht dies Zirkone „zum zuverlässigsten natürlichen Chronometer, das wir haben, wenn wir uns den frühesten Teil der Erdgeschichte ansehen wollen.“ Er fährt fort zu erklären, dass es in der Geologie zwei Möglichkeiten gibt, die Zeit zu messen. „Die eine ist die relative Zeit, d. h. wenn es ein Mineral einer Art gibt und darum herum ein Mineral einer anderen Art wächst, weiß man, dass das innere Mineral zuerst entstanden ist, aber man weiß nicht, wie viel Zeit zwischen den beiden verstrichen ist.“ Henry wertet diese Art von Mineralbeziehungen in Gesteinen aus. Aus den Mineralienarten und ihrer Verteilung im Gestein rekonstruiert er eine relative Abfolge von Ereignissen, die die zeitliche Veränderung von Parametern wie Druck, Temperatur und Verformung widerspiegelt. „Wenn ich ein metamorphes Gestein habe“, erläutert Dr. Henry, „kann ich anhand der Mineralienarten und ihrer Chemie die Bedingungen bestimmen, die das Gestein zu einem bestimmten Zeitpunkt seiner Geschichte erlebt hat. Eine Temperatur von 700 °C und ein hoher Druck, der mehrere tausend Mal so hoch ist wie der Atmosphärendruck, lassen darauf schließen, dass sich das Gestein zu einem bestimmten Zeitpunkt seiner geologischen Geschichte tief in der Kruste befunden hat. Er lässt Rückschlüsse darauf zu, was mit dem Gestein geschehen ist, aber nicht, wie lange das her ist. Hier kommt die zweite Art von Zeit ins Spiel: die absolute im Vergleich zur relativen. „Wir versuchen, das Wann zu bestimmen“, erklärt Mueller. „Meine Aufgabe ist es, die Chemie des Gesteins, einschließlich seiner Isotope, zu untersuchen und zu versuchen, die absoluten Zeiten für Ereignisse abzuleiten, die im Gestein und seinen Zirkonen aufgezeichnet sind.“
Wie genau sind diese Zahlen? „Je nach der Geschichte des Gesteins können wir die Dinge heutzutage auf einige hundertstel Prozent des Alters genau datieren“, antwortet Mueller. Das bedeutet zum Beispiel plus oder minus eine Million Jahre von drei Milliarden. Die Kohlenstoff-14-Datierung kann nicht weiter als etwa 70.000 Jahre zurückgehen, da die Halbwertszeit von Kohlenstoff-14 nur 5.730 Jahre beträgt. (Die Halbwertszeit ist die Zeit, die vergeht, bis sich die Hälfte des ursprünglichen radioaktiven Isotops in ein anderes Element umwandelt). Im Vergleich dazu beträgt die Halbwertszeit des radioaktiven Isotops Uran 238 4,5 Milliarden Jahre, was es für die Datierung extrem alter Materialien nützlich macht.
Die Zirkonchronologie beginnt im Feld. „Man geht hinaus und sucht nach relativen Altersbeziehungen, um zu sehen, welche Gesteinseinheit zuerst gebildet wurde“, sagt Henry. „Zum Beispiel kann es einen Granit geben, der Stücke anderer Gesteinsarten enthält, die im Granit eingeschlossen sind. Aufgrund ihrer Lage wissen wir, dass die im Granit eingeschlossenen Gesteine älter sein müssen.“ Geologen kartieren ein Gebiet, um diese relativen Altersbeziehungen zu ermitteln. Dann sammeln sie Proben, die je nach Gesteinsart zwischen zwei und mehr als hundert Pfund wiegen. Zirkone sind nicht selten, sondern in Granitgestein sogar sehr verbreitet. Aber es handelt sich um winzige Körner, die nur einen kleinen Teil einer Probe ausmachen, in der Regel weniger als ein Zehntel eines Prozents, und sie sind im gesamten Gestein verstreut. Dies macht die Abtrennung der Zirkone zu einem mühsamen Prozess. Das Gestein wird zermahlen, um es in einzelne Mineralkörner zu zerlegen. Da Zirkon so dicht ist wie kaum ein anderes Mineral, legen wir das zermahlene Gestein in eine Flüssigkeit mit sehr hoher Dichte, damit nur die dichtesten Mineralien auf den Boden fallen“, erklärt Henry. Mit anderen Worten, sagt Mueller: „Zirkone sinken. Wir nutzen auch die magnetischen Eigenschaften der Zirkone, um die ursprünglichsten von den übrigen zu trennen.“
Dann beginnt die detaillierte geochronologische Arbeit. „Ich nehme einen Bruchteil dieser Zirkone, mache dünne Schnitte von ihnen – Scheiben des Minerals von dreißig Mikrometern Dicke, etwa so dick wie ein Haar, die auf Glas montiert werden – und bekomme eine Vorstellung davon, wie sie in Bezug auf das Zonierungsmuster aussehen, ob sie mehrere Wachstumsepisoden durchlaufen haben, wie einfach oder komplex sie sind“, sagt Henry. Diese Informationen gibt er an Mueller weiter, zusammen mit dem geologischen Kontext der Probe. „Ich schaue mir auch einen Dünnschliff des Gesteins an, um etwas über den Rahmen zu erfahren, in dem das Zirkon vorkommt. Liegt es in einem Granit? Oder handelt es sich um ein metamorphes Gestein, das eine komplexere Geschichte hinter sich hat? Oder handelt es sich um ein metamorphes Sedimentgestein? Wenn wir seine Geschichte kennen, können wir das Alter des Gesteins viel besser interpretieren.“
„Um die relative geologische Geschichte eines Gesteins zu verstehen, verwendet Darrell Dünnschliffe, weil er an den Beziehungen zwischen allen Mineralien interessiert ist, aus denen das Gestein besteht“, erklärt Mueller. „Für die Geochronologie sind wir jedoch an den Mineralien interessiert, die ein Zehntel eines Prozentes oder weniger ausmachen.“ Er untersucht das Zirkon mit verschiedenen Techniken – „Licht, das von den Körnern reflektiert wird, Licht, das durch sie hindurchgeht, kathodolumineszentes Licht, das entsteht, wenn ein Elektronenstrahl auf das Zirkon trifft“ -, um den Maßstab festzulegen, in dem die Zirkonkörner analysiert werden sollten. Die quantitative Mikroanalyse der Elemente in Zirkon wird mit einer Elektronenmikrosonde durchgeführt. „Damit können wir Dinge auf einer Mikrometerskala (ein Millionstel eines Meters) mit einem dünnen Elektronenstrahl analysieren“, erklärt Henry. „Die Elektronen bestrahlen die Probe, wodurch die Atome in der Probe selbst Röntgenstrahlen abgeben. Jedes der Atome der verschiedenen Elemente in der Probe gibt Röntgenstrahlen mit charakteristischen Wellenlängen ab. Diese können dann mit einem Standard mit einer bekannten Konzentration des Elements verglichen werden, um die genaue Zusammensetzung dieses kleinen Flecks zu ermitteln. Ein einzelnes Zirkonkorn kann aus vielen Zonen mit unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlichem Alter zusammengesetzt sein. Die Isotopenzusammensetzung kann mit einer Ionensonde bestimmt werden. Wollen wir das ganze Korn untersuchen, oder sollten wir einen winzigen Strahl von Sauerstoffionen mit einem Durchmesser von 300 Mikrometern auf Teile des Zirkonkorns richten, um die Isotope U (Uran) und Pb (Blei) zu analysieren, damit wir diese Stelle datieren und die individuelle Geschichte des Zirkons analysieren können?“ Alternativ können Uran und Blei auch chemisch getrennt werden, indem ein einzelnes Zirkonkorn in Flusssäure aufgelöst wird. „Dann analysieren wir sie mit einem Massenspektrometer, das uns die Verhältnisse der einzelnen Uran- und Blei-Isotope liefert, und daraus können wir die Zeit berechnen“, erklärt Mueller.
Letztendlich, so Henry, „fügen sich all diese Daten zu einem größeren Bild davon zusammen, wie die Erde vor Milliarden von Jahren funktioniert hat.“ Mueller meint: „Je mehr wir über die verschiedenen Gesteine wissen, aus denen sich die ersten Kontinente gebildet haben, und darüber, wie sich diese Kontinente entwickelt haben, desto besser können wir erkennen, wie sich die Erde gebildet hat und welche frühen Prozesse die Kruste vom Erdmantel und wahrscheinlich sogar den Erdmantel vom Erdkern getrennt haben.“ Mueller beschreibt seine und Henrys Zusammenarbeit als eine parallele Reise. „Unsere Forschungen gehen in dieselbe Richtung, und manchmal halten wir uns die Hand und manchmal gehen wir getrennte Wege. In jedem Fall tauschen sie ständig Informationen aus, die sich aus ihren unterschiedlichen Ansätzen ergeben, und es gibt immer etwas Neues zu sehen. Müller bringt es auf den Punkt: „Ein Stein ist eine Menge Arbeit.“