Ein Forscher der University of Arkansas und seine Kollegen haben Magnesium-Isotope benutzt, um die Temperaturen zu bestimmen, bei denen sich Gesteine bilden, was Wissenschaftlern erlauben wird, die Entstehung der Erdkruste und des Erdmantels, sowie die Entstehung von Meteoriten besser zu untersuchen.
Fang-Zhen Teng, Professor für Geowissenschaften an der University of Arkansas und Wang-Ye Li, Yilin Xiao und Jian Huang von der University of Science and Technologie in China berichten über ihre Ergebnisse in den Earth and Planetary Science Letters.
“Die Temperatur bei der Entstehung von Gesteinen zu wissen ist wichtig, um die Entwicklung der Erde zu verstehen”, sagte Teng. “Wir können auch extraterrestrische Proben studieren, um mehr darüber zu erfahren, wie Meteoriten entstehen und sich entwickeln.”
Natürlich sind die meisten Felsen auf der Erde schon seit Millionen und Abermillionen Jahren Gesteine, was es schwierig macht, ihre thermale Vergangenheit zu bestimmen.
“Wir müssen die Bildungstemperatur von Felsen indirekt untersuchen”, sagte Teng. Dafür existieren verschiedene Methoden, aber die meisten liefern keine genauen Angaben über die hohen Temperaturen, bei denen sich die Gesteine bilden. “Wie die Temperatur sich mit der Tiefe innerhalb der Erdkruste und des Erdmantels verändert, ist noch unsicher”, ergänzte er.
Die Wissenschaftler analysierten den Zerfall von Magnesium-Isotopen in Eklogit, einem metamorphen Gestein, das die Mineralien Omphacit und Granat enthält und in einer Gebirgsregion Chinas gefunden wurde. Eklogit bildet sich bei hohen Temperaturen und hohem Druck oft aus subduzierten Basalten des Meeresbodens, welche unter die Erdkruste gedrückt werden und durch Gebirgsbildungsprozesse an die Oberfläche gelangen.
Isotope haben dieselben chemischen Eigenschaften, aber ein unterschiedliches Gewicht. Manche Prozesse verursachen daher ein scheinbar unterschiedliches Verhalten in demselben Material. In diesem Fall schauten die Forscher auf den Zerfall oder die Teilung von Isotopen an verschiedenen Stellen innerhalb des Gesteins. Der Zerfall von Magnesium-Isotopen in einem Felsen hängt von der Temperatur ab, bei der die Atome aufhörten, sich zu bewegen – was dem Zeitpunkt entspricht, an dem der Felsen entstand.
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass der Zerfall von Magnesium-Isotopen bei hohen Temperaturen stark ist, was den Forschern erlaubt, sie genau zu untersuchen. Sie analysierten andere Isotope, deren Zerfall aber zu klein war, um präzise gemessen zu werden. Die leichten Magnesium-Isotope bewegen nehmen schnell einen niedrigen Energiezustand ein (zum Beispiel Granat), wohingegen die schweren Isotope einen hochenergetischen Zustand bevorzugen (zum Beispiel Omphacit). Das Verhältnis von leichten und schweren Isotopen in jedem Zustand in einem gegebenen Felsen bestimmt die Temperatur, bei der er gebildet wurde. Indem sie diesen Magnesium-Isotop-Zerfall benutzten, konnten die Forscher die Bestimmung der Entstehungstemperatur von Gesteinen präzisieren. Wenn vorherige Isotopen-“Thermometer” eine Temperatur beispielsweise nur mit einer Genauigkeit von 50 Grad Celsius bestimmen konnten, kann der Magnesium-Thermometer eine Genauigkeit von 20 Grad Celsius erreichen.
Wenn die Wissenschaftler die Temperatur bei der Gesteinsbildung kennen, sind sie in der Lage, die Abkühlungsrate des Gesteins in verschiedenen Tiefen innerhalb der Erdkruste und des Erdmantels zu bestimmen. Das wird dabei helfen, mehr darüber zu erfahren, wie Gesteine sich abkühlen.
“Es wird uns dabei helfen, zu verstehen, wie Berge entstanden. Wenn wir die ‘Kochgeschichte’ kennen, können wir sagen, wie schnell die Berge gebildet wurden und wie die Platten kollidieren und sich entwickeln”, sagte Teng. Die Forscher planen, Gesteinsproben aus Gebirgsbildungsregionen zu sammeln, die neue Methode weiter zu testen.
(THK)
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