FrontiersFrühe Erddifferenzierung

Die Geburt und Kindheit der Erde war eine Zeit tiefgreifender Differenzierung, die mit einer massiven internen Umstrukturierung in Kern, Mantel und Proto-Kruste einherging, und zwar innerhalb weniger hundert Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems (t0). Physikalische und isotopische Beweise deuten darauf hin, dass die Bildung von eisenreichen Kernen im Allgemeinen sehr früh in Planetesimalen, den Bausteinen der Proto-Erde, innerhalb von etwa 3 Millionen Jahren nach t0 stattfand. Die letzten Stadien der terrestrischen Planetenakkretion waren von heftigen und ungeheuer energiereichen Rieseneinschlägen zwischen kernsegregierten Objekten von Merkur- bis Marsgröße und Planetenembryonen geprägt. Infolge der Erhitzung durch den Einschlag war die frühe Erde zeitweise teilweise oder vollständig geschmolzen, was die Wahrscheinlichkeit eines Hochdruck- und Hochtemperaturausgleichs zwischen den kern- und mantelbildenden Materialien erhöhte. Der silikatische Erdmantel weist harmonische Häufigkeiten der siderophilen Elemente Ni und Co auf, die durch ein Gleichgewicht zwischen Eisenlegierung und Silikat unter Bedingungen, die mit denen eines tiefen Magmaozeans vergleichbar sind, in Einklang gebracht werden können. Bei der Erstarrung eines tiefen Magmaozeans kam es möglicherweise zu einer Entmischung von Kristall und Schmelze bei hohen Drücken, aber die anschließende konvektive Umwälzung des Mantels könnte die entstehende Schichtung weitgehend ausgelöscht haben. Primitive Gesteine des oberen Erdmantels weisen jedoch offenbar einige nicht-chondritische Verhältnisse von Haupt- und Spurenelementen auf, die mit der frühen Differenzierung von Ultrahochdruck-Mantelphasen in Verbindung gebracht werden können. Die geochemischen Auswirkungen der Kristallfraktionierung in einem tiefen Magmaozean werden teilweise durch Hochdruckexperimente eingegrenzt. Ein Vergleich der Zusammensetzungsmodelle für den primitiven konvektiven Mantel und die silikatische Masse der Erde lässt im Allgemeinen eine Gesamtfraktionierung von 10-15 % einer tiefen Mantelassemblage zu, die überwiegend aus Mg-Perowskit und geringeren, aber geochemisch wichtigen Mengen an Ca-Perowskit und Ferroperiklas besteht, was möglicherweise sogar günstiger ist. Die langfristige Isolierung eines solchen Kristallhaufens steht im Allgemeinen im Einklang mit den isotopischen Beschränkungen für die zeitintegrierten Sm/Nd- und Lu/Hf-Verhältnisse im modernen oberen Erdmantel und könnte die Merkmale einiger Isotopenreservoire im Erdmantel erklären. Obwohl noch viel über die früheste Formationsperiode in der Entwicklung der Erde zu lernen ist, beginnt eine Konvergenz von theoretischen, physikalischen, isotopischen und geochemischen Argumenten ein in sich stimmiges Bild der jungen Erde zu ergeben.

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