Zusammenfassung
Die frühen Ozeane waren nicht so heiß, wie bislang vermutet. Das zeigen Forschende der Universität Göttingen und des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ in Potsdam in einer kürzlich im Fachmagazin PNAS erschienenen Studie. Sie analysierten Sauerstoff-Isotopenverhältnisse in 550 Millionen Jahre altem Chert, einem in Meerwasser gebildeten Sedimentgestein. Auf Basis von Modellierungen sehen die Forschenden die Ursache für den zeitlichen Verlauf der Isotopenverhältnisse nicht im Erkalten der Ozeane, sondern im Erkalten der Erde. Damit liefern ihre Ergebnisse eine Antwort auf die lange umstrittene Frage, welche Informationen diese Gesteine im Laufe der Geschichte unserer Erde aufzeichnen. Auf Basis der neuen Erkenntnisse könnten Meerwassertemperaturen im Archaikum künftig akkurater aus Gesteinsproben rekonstruiert werden. Die Studie ist damit zentral für das Verständnis der Entwicklung von Leben auf der frühen Erde.
Hintergrund: Rätselhafte Veränderung bei Sauerstoff-Isotopen
Im Laufe der Erdgeschichte zeigen Cherts, das sind quarzreiche Sedimentgesteine, die sich in Meerwasser aus Siliziumdioxid bilden, einen rätselhaften Anstieg im Verhältnis ihrer Sauerstoffisotope 18O/16O: Das Verhältnis der schwereren Sauerstoff-Variante 18O zum leichteren 16O hat seit dem Archaikum, der Zeit vor rund 4 bis 2,5 Milliarden Jahren, bis heute kontinuierlich um ungefähr 15 Promillepunkte zugenommen, von etwa 17 Promille auf 32 Promille.
Es gibt zwei weit verbreitete Ansätze zur Erklärung dieses Phänomens: Zum einen, dass die frühen Ozeane heiß waren (über 70 Grad Celsius) und sich dann stetig abkühlten. Zum anderen, dass die frühen Ozeane sehr arm am schwereren Sauerstoff 18O waren und dann kontinuierlich isotopisch schwerer wurden.
Beide Szenarien lassen sich jedoch nur schwer mit anderen geologischen und geochemischen Beobachtungen vereinbaren, etwa Klimazyklen und dem Auftreten der ersten Mikroorganismen.
Neue Erklärung: Sauerstoff-Isotopenverhältnisse durch das Erkalten der festen Erde kontrolliert
Nun zeigen Forscher:innen um Michael Tatzel, vormals Doktorand am GFZ, jetzt Juniorprofessor an der Universität Göttingen, und Patrick Frings sowie weiterer Kolleg:innen vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ, dass die Sauerstoff-Isotopenverhältnisse in Cherts durch das stetige Erkalten der festen Erde über geologische Zeiträume kontrolliert werden. Die Gesteine selbst sind demnach keine guten Archive für Meerwassertemperaturen der Vergangenheit.
Untersuchungen an 550 Millionen Jahre alten Proben
Das Forschungsteam untersuchte rund 550 Millionen Jahre alte Chert-Proben aus Südost-China, unter anderem mit massenspektrometrischen Verfahren, die die Isotopen-Zusammensetzung präzise messen können.
Die Analysen dokumentieren, dass nach der Ablagerung von Sedimentschlamm die amorphen, also noch ungeordneten Vorstufen von Chert in hunderten Metern Tiefe kristallisieren. Dabei werden die jeweils in der Tiefe herrschenden Temperaturen – die höher sind als die Temperaturen von Meerwasser – in ihrem Sauerstoff-Isotopenverhältnis gespeichert.
Modellierungen führen zu neuem Prozessverständnis
Um die genauen Zusammenhänge zu studieren, modellierten die Forscher nun den Prozess der Gesteinsbildung von Chert. Das mikrokristalline Quarzgestein entsteht aus amorphem Siliziumdioxid und Porenwasser durch eine Abfolge von schrittweisen Umwandlungen in Form von Auflösungs- und Ausfällungsreaktionen. Die Forschenden fanden heraus, dass das 18O/16O-Isotopenverhältnis von den Bedingungen bestimmt wird, unter denen sich der Quarz aus den amorphen Vorstufen in der Tiefe gebildet hat. Das sind vor allem das 18O/16O-Isotopenverhältnis im Porenwasser und die Umgebungstemperaturen in der Tiefenzone in der Umwandlung stattfindet.
Der Wärmefluss aus dem Erdinneren nimmt mit dem langsamen Erkalten der Erde im Laufe von Jahrmilliarden ab. „Unsere Berechnungen zeigen, dass das 18O/16O-Isotopenverhältnis in Chert mit abnehmendem Wärmefluss größer wird. Je niedriger die Temperaturen bei der Kristallisation, desto mehr des schweren Sauerstoffs 18O wird in Quarz eingebaut“, so der Erstautor der Studie, Michael Tatzel. Auf diese Weise kann rund ein Drittel des 18O/16O-Anstiegs erklärt werden. Gleichzeitig führt die Abkühlung der Erde zu einem abnehmenden 16O-Anteil in Meerwasser, aus dem sich die amorphen Vorstufen von Chert bilden.
Komplexe Zusammenhänge zwischen Meerestemperatur und Sauerstoff-Isotopenverhältnis
Das Rätsel um isotopisch leichte Archaische Cherts löst sich somit durch den etwa doppelt so hohen Wärmefluss auf der frühen Erde. „Cherts sind offenbar keine guten Archive für Meerwassertemperaturen in der Vergangenheit. Unsere Erkenntnisse bedeuten, dass wir Sauerstoffisotope in Cherts ganz neu denken müssen, denn der Wärmefluss hat einen deutlichen Einfluss auf das 18O/16O Verhältnis“, so Tatzel.
Mit-Erstautor Patrick Frings vom GFZ Potsdam fügt hinzu: „Ich denke, diese Arbeit wird in den kommenden Jahren die Tür zu einigen aufregenden neuen Entwicklungen öffnen. Auch wenn Chert kein gutes direktes Archiv für die Meerestemperaturen der Vergangenheit ist, wie es bislang einige Forschende vermuteten, können unsere Erkenntnisse über den Wärmefluss-Effekt künftig ermöglichen, auf Umwegen die Meerwassertemperaturen in tiefer geologischer Zeit akkurat zu rekonstruieren. Darüber hinaus werden wir die thermische Struktur und tektonische Geschichte alter Sedimentbecken entschlüsseln können.“
Gemäßigtes Klima auf der frühen Erde – ohne heiße Ozeane
Der berechnete Effekt des Wärmeflusses für Sauerstoffisotope in Cherts bedeutet insbesondere auch, dass die isotopisch leichten Archaischen Cherts für ein gemäßigtes bis warmes Klima auf der frühen Erde sprechen – heiße Archaische Ozeane scheinen sehr unwahrscheinlich. Diese Schlussfolgerung ist zentral für das Verständnis über die Entwicklung von Leben auf der jungen Erde.
Originalpublikation:
M. Tatzel, P. J. Frings, M. Oelze, D. Herwartz, N. K. Lünsdorf, and M. Wiedenbeck; Chert oxygen isotope ratios are driven by Earth's thermal evolution; PNAS 2022 119 (51); DOI: 10.1073/pnas.2213076119
