Zeitmessung mit Zirkonen

BILDNACHWEIS: JOHN VALLEY / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON

Dieses Fragment eines Zirkonkristalls, der aus einem Felsvorsprung in der abgelegenen Region Jack Hills in Westaustralien gewonnen wurde, ist 4,4 Milliarden Jahre alt. Verunreinigungen in solchen Kristallen ermöglichen es Wissenschaftlern, ihr Alter und damit den Zeitpunkt aller möglichen geologischen Entwicklungen zu bestimmen.

Kristalle des Minerals Zirkon sind robust genug, um die heftigsten geologischen Ereignisse zu überstehen. Die darin enthaltenen Verunreinigungen bilden eine Zeitkapsel der Planetengeschichte.

Von Cypress Hansen 14.04.2021

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Diamanten sind vielleicht die härtesten Edelsteine, aber Zirkone halten ewig. Diese Geburtssteine ​​des Dezembers sind so langlebig, dass sie das älteste bekannte Material der Erde darstellen: Einige Zirkone aus Australien sind mehr als 4 Milliarden Jahre alt.

Aber Zirkone sind nicht nur alt. Ähnlich wie Baumringe können sie die Zeit aufzeichnen und das Alter der sie umgebenden Gesteine ​​sowie die geologischen Prozesse, deren Zeuge sie waren, offenbaren. Dank Zirkonen können Forscher die Entstehungsgeschichte von Planeten erzählen, Rückschlüsse darauf ziehen, wann Kontinente aus den Ozeanen entstanden sind, und vielleicht sogar wertvolle Mineralien unter der Erdoberfläche entdecken.

„Die Menge, die wir ohne die Hilfe von Zirkonen über die Erde wissen, ist sehr, sehr gering“, sagt Jesse Reimink, ein Geologe, der die Kristalle an der Pennsylvania State University untersucht.

Das Mineral Zirkon entsteht, wenn die Elemente Zirkonium, Silizium und Sauerstoff in Magma oder metamorphem Gestein kristallisieren. Im Laufe der Zeit werden durch wiederholtes Erhitzen und Abkühlen äußere Schichten zum Kristall hinzugefügt, wie aufeinanderfolgende Farbschichten. Atome einiger weniger Elemente, wie zum Beispiel Uran, sind den Zirkoniumatomen so ähnlich, dass sie ihren Platz in der Kristallstruktur einnehmen können. Wenn diese Atome radioaktiv sind, wandeln sie sich durch den vorhersehbaren Prozess des radioaktiven Zerfalls langsam in ein anderes Element um, beispielsweise Blei.

Wenn dies geschieht, wird der Kristall zu einer Uhr. Durch das Strahlen von Zirkonkristallen mit Lasern oder das Auflösen mit Säure und die anschließende Messung des Uran-Blei-Verhältnisses können Wissenschaftler beispielsweise den Zeitpunkt antiker geologischer Ereignisse mit beeindruckender Präzision abschätzen.

Zirkon „ist das perfekte Mineral für das Uran-Blei-Zerfallssystem“, sagt Reimink, „und das Uran-Blei-Zerfallssystem ist wie ein Geschenk Gottes an die Geochronologie.“

Und weil Zirkone äußerst widerstandsfähig gegenüber Schmelzen, Rissen oder Erodieren sind, ermöglichen sie Forschern die Datierung einiger der ältesten Ereignisse auf dem Planeten.

„Die Zirkonforschung ist der Horizont, an dem wir Entdeckungen über die frühe Erde machen können“, sagt die Geochemikerin Beth Ann Bell von der UCLA. „Es gehört dazu, zu verstehen, woher wir kommen.“

Zirkonkristalle bilden sich in Magma oder metamorphem Gestein und bilden neue Schichten in flüssigem oder nahezu flüssigem Gestein. Elemente, die von Natur aus radioaktive Formen haben, können beim Wachstum in die Kristallstruktur eingebaut werden. Im Laufe der Zeit zerfallen diese Elemente, wie das hier gezeigte Uran, mit vorhersagbarer Geschwindigkeit in Tochterelemente und bieten Wissenschaftlern eine „Uhr“, mit der sie die geologischen Prozesse, die im Zirkonkristall auftreten, datieren können.

Zirkone haben etwa die Größe eines Sandkorns und Forscher müssen oft mehrere Kilogramm Gestein sammeln, zerkleinern und durchsieben, um eine Probe von ausreichender Größe zu erhalten. Aber mit verbesserter Lasertechnologie und empfindlicheren Analyseinstrumenten wird die Zirkondatierung einfacher und präziser – was bedeutet, dass Wissenschaftler mehr Informationen aus weniger Kristallen extrahieren können. „Das Feld entwickelt sich sehr schnell“, sagt Martin Bizzarro, Planetenforscher an der Universität Kopenhagen. „Menschen verschieben die Grenzen, um immer kleinere Proben mit höchster Präzision zu analysieren.“

Hier erfahren Sie, was Wissenschaftler aus diesen winzigen Zeitmessern lernen.

Im Jahr 2011 wurde in der marokkanischen Wüste ein Marsmeteorit mit dem Spitznamen „Black Beauty“ entdeckt. Zirkone im Meteoriten enthalten Hinweise auf die Geburt des Roten Planeten – und auf die Herkunft seines Wassers.

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Die Datierung der Zirkone ergab ein Alter von 4,47 Milliarden Jahren, fanden Bizzarro und Kollegen heraus, und die Zusammensetzung der Kristalle legt nahe, dass sich der Mars innerhalb der ersten 20 Millionen Jahre der Existenz unseres Sonnensystems gebildet hat – eine überraschend schnelle Entstehung. Damals kreisten noch jede Menge Felsbrocken, Eisbrocken und Wasserdampf – die Bausteine ​​der Planeten – um die neugeborene Sonne und warteten darauf, von der Schwerkraft wachsender Planeten angesaugt zu werden.

Weitere Analysen von Teilen des Marsmeteoriten, einschließlich alter Fragmente der Planetenkruste, legen nahe, dass in den ersten 80 Millionen Jahren der Entwicklung des Planeten möglicherweise Wasser auf der Marsoberfläche vorhanden war. Wissenschaftler diskutieren seit langem darüber, ob Wasser von Anfang an auf dem Mars (und der Erde) vorhanden war oder ob es erst später durch den Bombardement eisiger Asteroiden entstanden ist. Wenn Wasser auf anderen Planeten entsteht, wenn sie sich schnell bilden, „sollte es in der Galaxie viele Wasserwelten und potenziell bewohnbare Planeten geben“, sagt Bizzarro.

Einige Wissenschaftler glauben, dass die Erde vor der Entstehung der ersten Kontinente vor etwa 3 Milliarden Jahren vollständig mit Wasser bedeckt war. Wie schnell die Landmassen der Erde aus den Meeren aufstiegen, blieb jedoch ein Rätsel. In alten Flussbetten und Ozeanen abgelagerte Zirkone haben Geologen kürzlich dabei geholfen, dieses gewaltige Ereignis aufzuzeichnen und Erkenntnisse über die Entwicklung des Lebens an Land und die Klimaregulierung zu gewinnen.

Diese noch zu datierenden Zirkone wurden 1991 beim Ausbruch des Mount Pinatubo auf den Philippinen aus der Tiefe freigesetzt.

BILDNACHWEIS: MIT FREUNDLICHER GENEHMIGUNG VON FIDEL COSTA UND JORGE VAZQUEZ

Zirkone tragen Altersmerkmale ihres ursprünglichen Standorts und werden durch Erosion in Flüsse freigesetzt, flussabwärts abgelagert und zu Sedimentgesteinen verdichtet. Gesteine, die ein breites Spektrum an Zirkonaltern enthalten, stammen wahrscheinlich aus einer großen Anzahl erodierter Gesteinsquellen und damit aus einem größeren Wassereinzugsgebiet. Um die Größe antiker Wassereinzugsgebiete und damit das Wachstum früher Kontinente zu bestimmen, analysierte Reimink Daten zum Zirkonalter von mehr als 4.200 Gesteinsproben aus der ganzen Welt. Die Ergebnisse, die 2021 in Earth and Planetary Science Letters veröffentlicht wurden, legen nahe, dass die Kontinente 500 Millionen Jahre brauchten, um ihre heutige Höhe zu erreichen, als sie vor 2,8 Milliarden Jahren begannen, aus den Ozeanen aufzusteigen.

Diese Entdeckung kann Wissenschaftlern dabei helfen, alles Mögliche zu verstehen, beispielsweise wann die Ozeane der Erde begannen, große Mengen vulkanischer Gase, einschließlich Kohlendioxid, aus der Atmosphäre zu absorbieren, ein Prozess, der das Klima veränderte und die Fähigkeit der Erde, Leben zu erhalten, beeinflusste.

Ein 4,1 Milliarden Jahre alter Kristall, der in Jack Hills, Australien, entdeckt wurde, beherbergte möglicherweise einen der frühesten Beweise für Leben auf der Erde. Wenn das stimmt, deutet der Fund darauf hin, dass das Leben ziemlich schnell nach der Entstehung des Planeten vor etwa 4,54 Milliarden Jahren begann.

In der Struktur des Zirkons waren Flecken aus reinem Kohlenstoff, auch Graphit genannt, erhalten. Diese Einschlüsse enthielten eine häufige Form von Kohlenstoff, bekannt als Kohlenstoff-12, zusammen mit ungewöhnlich geringen Mengen seines schwereren Gegenstücks, Kohlenstoff-13. Pflanzen und Algen speichern während der Photosynthese bevorzugt das leichtere Kohlenstoff-12, daher verwenden Forscher Kohlenstoffverhältnisse, um Fossilien einst lebender Organismen von gewöhnlichen Gesteinen zu unterscheiden.

Das leichtere Material in den Einschlüssen, sagt Bell, „steht im Einklang mit dem, was wir heute im Leben sehen.“ Natürlich ist es schwierig und oft umstritten, genau zu bestimmen, wann Leben entstanden ist: Sehr alte Fossilien sind rar und Wissenschaftler sind sich nicht immer einig, wie sie zu interpretieren sind. Da Bell und ihre Kollegen, die 2015 in den Proceedings of the National Academy of Sciences über den Fund berichteten, nur einen mit Graphit gesprenkelten Zirkon fanden, der makellos genug war, um eine Kontamination definitiv auszuschließen, herrscht Skepsis. „Aber die Menschen haben noch nicht lange nach Graphit in Zirkonen gesucht“, sagt Bell. Weitere Untersuchungen – und Zirkone – sind erforderlich, um Gewissheit zu schaffen.

Die beiden großen Flecken (Mitte und oben rechts) sind winzige Kohlenstoffstückchen, die in einen 4,1 Milliarden Jahre alten Zirkonkristall eingebettet sind. Das Verhältnis von zwei Kohlenstoffvarianten in diesen Flecken lässt darauf schließen, dass es sich um Überreste von etwas handelt, das Photosynthese betreiben könnte. Wenn diese Interpretation richtig ist, könnte es Leben gegeben haben, nicht lange nach der Entstehung der Erde vor etwa 4,54 Milliarden Jahren.

BILDNACHWEIS: EA BELL ET AL / PNAS 2015

Supervulkane können eine ernsthafte Bedrohung darstellen, und Forscher suchen zunehmend nach Zirkonen, um den nächsten Ausbruch vorherzusagen. Zirkone, die bei früheren Eruptionen ausgespuckt wurden, können Aufschluss darüber geben, was im Vorfeld einer Explosion unter der Oberfläche vor sich geht, etwa wie lange es dauert, bis sich Magma aufgebaut hat, bevor es die Oberfläche durchbricht, sagt der Vulkanologe Fidel Costa vom Earth Observatory of Singapur.

In einem solchen Fall analysierte ein internationales Wissenschaftlerteam Zirkone, die in den letzten 1,5 Millionen Jahren aus dem Vulkan Nevado de Toluca ausgebrochen sind. Die im November in Nature Communications veröffentlichte Analyse legt nahe, dass nur ein Bruchteil des Magmas des ruhenden Vulkans ausgebrochen ist. Wenn sich das Magma wieder zu bewegen beginnt, könnte der Vulkan innerhalb eines Menschenlebens ausbrechen.

Solche auf Zirkon basierenden Zeitskalen, sagt Costa, der kürzlich im Annual Review of Earth and Planetary Sciences 2020 den Stand der Geochronologie vulkanischer Gesteine ​​darlegte, „geben uns einen Hinweis darauf, wie viel Zeit wir haben, um uns vorzubereiten.“

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Die Suche nach Mineralien tief im Boden ist keine leichte Aufgabe, aber Zirkone in oberflächennahen Gesteinen könnten Schürfer zu lukrativen Abbaustellen führen. In einer Fallstudie bestätigten Forscher im Süden von British Columbia, dass örtliche Zirkone Hinweise auf die darunter verborgenen Kupfervorkommen enthielten. Die untersuchten Zirkone enthielten große Mengen des Elements Europium, ein Indikator dafür, dass die Gesteine ​​der Region aus wasserreichem Magma entstanden sind – eine Voraussetzung für die Bildung einer bestimmten Art von Kupferlagerstätte, berichteten Forscher im Januar in Economic Geology.

Viele wirtschaftlich wertvolle Mineralien wie Gold entstehen in denselben Regionen geschmolzenen, felsigen Breis unter der Erdoberfläche, aus denen Zirkone stammen. Die neue Forschung legt nahe, dass das Sammeln von Zirkonen aus Gesteinen an der Oberfläche eine fruchtbare Methode sein könnte, um herauszufinden, ob die Umgebung Gesteinsbetten haben die richtige Chemie oder das richtige Alter, um fruchtbare Böden für die gewünschten Metalle zu sein.

Zirkone sind so nützlich und Wissenschaftler sind so begeistert von ihnen, dass relevante geologische Informationen in Nicht-Zirkon-Gesteinsproben manchmal ignoriert werden, bemerkt Scott Bryan von der Queensland University of Technology in Brisbane, Australien. (Bryan veröffentlichte 2018 in Earth-Science Reviews eine Erinnerung an die Grenzen von Zirkonen.) Dennoch fügt er hinzu, dass die Einbeziehung anderer Analysen zwar sicherlich einen ganzheitlicheren Blick auf die ferne Vergangenheit der Erde ermögliche, die Datierung von Zirkonen jedoch das beste Werkzeug für die Geochronologie sei. Zirkone vermitteln so viel über die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft, dass sie für Wissenschaftler einer Kristallkugel am nächsten kommen.

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Cypress Hansen ist Praktikantin beim Knowable Magazine. Sie war noch nie von Diamanten beeindruckt und wünscht sich vielleicht einfach einen Zirkon in ihrem Ehering. Folgen Sie Cypress @pollenplankton.

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