Early Earth
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Early Earth Wikipedia.org Die Geschichte unserer Erde 4.5 + 0.2? Entstehung des Sonnensystems Entstehung des Mondes 4.0 Entstehung der ersten Kontinente Late Heavy Bombardement 3.5 Erstes Leben? Älteste Stromatolithen 3.0 Größere Kontinente 2.5 Ältestes terrestrisches Gestein Kratone Hadaikum Entstehung der Erde • Staubteilchen zu kilometergroße Planetesimale (Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor, etc.) • Kalte Proto-Erde, mit homogenem Inneren • Erwärmt innerhalb von 100Ma (Einschläge Planetesimale, freiwerdende Gravitationsenergie) • Erhitzung durch Radioaktive Zerfallsprozesse; ab 2000 °C – Eisen und Silikate geschmolzen • Differenzierung -> leichtere Materie in äußere Zonen (Eisenkern, Mantel: Gesteine mittlerer Dichte: Magnesium-Eisen-Silikate, darüber: leichtes Material Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Calcium, Natrium) Postakkretions Bombardement 4.5 – 3.9 • Wikipedia.org Hadaikum • 3 Theorien: • • • • Entstehung des Mondes Tropfentheorie, Mond abgespalten von Erde Mond eingefangen Einschlaghypothese: 70 Millionen Jahre nach Erdentstehung „Streifender“ Einschlag Mars großes Objekt 1/8 Erdmasse • Ring entstand (Mond Akkretionsscheibe) • 300000km mittlerer abstand • Aufgeschmolzen • Abbremsung des Mondes und der Erde • Stabilisierung der Erde (Wetter, Jahreszeit) News.softpedia.com Hadaikum • Hell like Earth? Gesamtmenge der Wärmeproduktion am Ende des Archaikums doppelt so hoch wie heute Gooduniverse.ca • Radioaktive Zerfälle, Meteoriten schauer (Post-akkretions Bombardement) • Sonnenwind, Vulkanische Aktivität • Lithosphäre in kleine Platten zerbrochen • Wärme durch Lithosphäre schneller übertragen • Zahlreiche Hot Spots Hat es gegeben, die Frage ist nur wie lange und bis wann? Hadaikum • Magma Ozean ist nicht bewiesen • Sonnenenergie noch schwach • Abkühlen von 4.5 bis 4.0Ga • Konstante δ18 O Werte -> Ozeane um 4.4 Ga • Einschläge hätten Urozean nicht komplett verdampfen können (?) • Wasserdampfatmosphäre: Druck 270bar (wenn ganze Ozeane verdampft) -> Temperatur über 374 °C • Kalte Erde? Aber um 4.4 bis 4.0 vielleicht schon lebensfreundlich???? Valley et al. Hadaikum Jack Hills Zirkon • Spurenmineral in Granitfels, Silikatgruppe (Narryer Gneiss-Terran, Yilgarn-Kraton, Westaustralien) • Zirkon äußerst resistent gegenüber Verwitterung, hochgradige Gesteinsmetamorphose • Spuren radioaktiver Isotope 235U, 238U und 232Th: Messung Uran-Blei- bzw. Thorium-BleiVerhältnisse • Liefern Kristallisationsalter und magmatische δ18 O Werte (direkter Nachweis Temperaturen aus δ18 O Werten) • Aus Magma mit einer Komponente aus wieder verarbeiteten Kontinentalkruste, welche sich unter Wasser geformt hat in der Nähe zur Erdoberfläche. • Daten liefern Beweis für eine Hydrosphäre die mit der Kruste interagierte um 4.3 Ga • Ungewöhnlich: Alter (4.404GA) Uran Isotopenmessung Hadaikum Jack Hills Zirkon • δ18 O Werte in Jack Hills vergleichbar und übereinstimmend mit jüngeren Archaischen Proben • δ18 O Werte in Archaikum 7.4‰ ±0.7 ‰ • Um diese Werte zu erlangen sind 4 Entstehungsmethoden möglich: – (1) Formation in Meteoriten – (2) fraktionelle Kristallisation in granitischen Magma von primitiven terrestrischen Schmelze bei 4.4Ga – (3) austausch von Protolith des granitischen Magma mit Dampf – (4) oder mit flüssigem Wasser • δ18 O Werte sprechen gegen Entstehung auf Mond oder Meteoriten • Meteoritenzirkone sehr selten auf Erde δ18 O Werte im Mantel nicht bekannt Mojzsis 2001 Hadaikum Jack Hills Zirkon • Thermometer basierend auf Titanium Anteil im Zirkon • Gesamttemperatur Messung: 900°C (reagiert kaum auf Druckunterschiede) • Verwendung von Elektronenstrahlenmikroanalyse: gemessene Ti - Konzentrationen in 54 Jack Hills Zirkon • Stelle auf jedem Zirkon gewählt wo Alter bekannt • Berechnete Temperaturen von 69 stellen • 801°C - 644°C in meisten Fällen: Bestimmung der Ti Werte an Duplikate gleiche T • Zirkon zeigt einfache magmatische Herkunft: Kristallisationtemperatur: 778°C Kern, 751°C Rand • -> Granit Zirkon: Entstehung wie heute (unter 200°C) Watson and Harrison Hadaikum/Archaikum • • Woher kommt das Wasser? Erdinneres: – Vulkanismus: neue Atmosphäre, auch Wasserdampf – M. J. Drake: großer „nasser“ Planetenembryo aus Asteroiden gürtel oder Komet nicht auszuschließen – Wasser, Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4) und Stickstoff (N2) gasten aus Erde -> Wasserdampfreiche Uratmosphäre. Extraterrestrische Herkunft – Feste Erdkruste und Abkühlung -> Kondensation von Wasserdampf Bildung von ersten Ozeanen. – Herkunft: Kometen, transneptunische Objekte, wasserreiche Asteroiden – Deuterium und Protium (D/H-Verhältnis) -> Asteroiden – Wassereinschlüssen in Chondriten: ähnliche Verhältnisse zu Ozean Wasser – (D/H-Verhältnis) von Kometen doppelt so hoch wie in Ozean Wasser (Halley und Hale-Bopp repräsentativ für Kometen aus Kuipergürtel?) – Komet C/1999 S4 LINEAR: Nachweis für Wasser mit Isotopenverhältnis Wikipedia.org Archaikum Late Heavy Bombardement • LHB: 3.85 – 3.9 • Erde: Mehr Fläche und Gravitation als Mond • Einschlagskrater auf Mond (Imbrium) extrapoliert auf Erde • Mond getroffen von 1/24 • Erde von 23/24 • D.h. 16 größere (wie Imbrium) Objekte trafen die Erde • Keine eindeutigen Beweise auf der Erde! • Könnten auch nur kleine Objekte getroffen haben • Ozean(1.4x 1021kg) vollkommen verdampfen: 5 x 1027 J • Vesta oder Pallas mit 17km/s Einschlag • Euphotische Zone zerstört (4 x 1026 J) • Abstände der Einschläge? Regenerationszeit? Archaikum Gesteine des Archaikums • Grünsteingürtel: – – – – – – – – Geformt in kontinentalen Plätzen(Rift, Hotspot, Kraton) In vulkanischen Bögen In Satellitenaufnahmen erkennbar Längliche Gesteinskörper(Viele Pillow Strukturen) Vor Metamorphose: basische und ultrabasisches Vulkanit Hochmetamorphosen Gestein saurer Zusammensetzung Schwach metamorph Chlorit gibt Farbe Wikipedia.org Wikipedia.org • Komatiite: – Verteilung von Komatiite geben Information über Tiefe und Temperatur – Komatiite sind hoch Temperatur ultramafisch vulkanisches Gestein, unheimlich heiße MantelPlume Quelle – Komatiite haben Temperatur für flüssigen Zustand um 1400 bis 1800°C oder sogar mehr – Berechnungen: Mantel um 400°C heißer im Archaikum, als heute Archaikum Mantleplumes • Wichtige rolle bei Magma Produktion, Produktion von ozeanischen Plateaus und kühlen des Mantels • Kühlung der Erde (heute 10% Verantwortung) Nature.com Archaikum Mantelplumes • Nehmen nach Archaikum stark ab • Verlangt: – (1) heißeren archaischen Mantel, – (2) Komatiit von sehr heißen Quellen aus dem Mantel • Nach Richter 1988: 2.7Ga war Erde um 180°C heißer, vor 3.5 Ga war erde 300°C heißer • 35% der Neoarchaischen Grünsteingürtel haben Plume Affinität (3.0-2.5 Ga) • 80% der Eoarchaischen Grünsteingürtel haben Plume Affinität (>3.0 Ga) • Durch höhere Temperaturen, war Kruste weniger Subduktions geeignet • 660 Diskontinuität weniger resistent zu abfallenden Platten und steigenden Plumes • Plötzlich oder gradueller Rückgang um 2.5 Ga von Mantel-Plumes? Wichtig für Produktion Kontinentaler Kruste! Parallel mit Kühlung des Mantels? Archaikum Entstehung der Kontinente und die erste Kruste • Abkühlung der Magma-Ozeane • Basaltische Kruste, Abscheidung von saurem Gesteinsmaterial -> Kontinentale Kruste (saures Gestein) • Sauren Komponenten von basischem Gestein entzogen (in Hot Spots in vulkanischen Gesteinen) • Geringere Dichte von saurem Magma steigt leichter an Erdoberfläche • Inselketten Beispiel: Island (16 Millionen Jahre alt, Protokontinent, noch immer Bildung von sauren Magmatiten) • Nordwesten Kanadischer Schild, Acosta Formation 3,8 – 4 Ga • Zusammenstöße und Riftbewegungen kleinerer Protokontinente • Detektion durch Erosion, Metamorphose vernichtet; sehr schnelle Plattentektonik • Jetzige Größe schon vor 3.5 Ga erreicht • Zuwachs und Vernichtung durch Erosion und Subduktion saurer Kruste gleich schnell (heute) Westaustralien 3.5 Ga Archaikum • • • • Entstehung der Kratone 2.7 – 2.3 Ga großräumige Metamorphosen Viele kleine Krustenelemente zu größeren Kratonen Nicht überall gleichzeitig Südafrika: 3 Ga, die meisten: 2.5 Ga Wikipedia.org Archaikum Paleoatmosphäre • CH4 (Methan) und NH3(Ammoniak) nur kurz dominiert , wenn überhaupt • Äußere Planeten wenig Evolution: CH4 und NH3 • Eher: Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2) • Ausgasung: H2O, CO2 ,Cl, N und Schwefel (S) Wikipedia.org • H2O: 1.6 x 1024g; CO2: 2.3 x 1023g; Cl: 3.0 x 1022g; N: 4.9 x 1021g und S: 4.4 x 1021g (Walker 1977) • N2 H2 und CO bildeten HCN (kann Aminosäuren Purine (Ferris et al. 1978)), CO2 und H2O • CH4 und NH3 entgast durch wandern von Eisen vom Mantel in den Kern • ABER: NH3und CH4 sind photochemisch und chemisch zerstört durch Photolyse von UV Strahlung und Reaktion mit OH [NH3 + OH -> NH2 + H2O; CH4 + OH -> CH3 + H2O] • NH3 durch Regen aus Atmosphäre ausgewaschen, bindet sich leicht mit Wasser (auswaschen innerhalb 10tage) - NH3 resistenter gegen Sonnenstrahlung (2 x 109 yr) • Photolyse Hauptzerstörer von CH4 : [CH4 + hv -> CH2 + H2; λ≤ 145 nm](5 – 10 x 108yr Stabilität von CH4) Archaikum • • Die erste Atmosphäre Heutige Atmosphäre: – 78% Stickstoff (N2) wichtiger Bestandteil Proteine, setzen chemische Reaktionen in Gang, wichtige Bausteine bei allen lebenden Organismen – O2 mit 21% Volumen größte Teil von Pflanzen (Photosynthese) – In hoher Atmosphäre zersetzt Sonnenlicht Wasserdampf in Sauerstoff, Wasserstoff – Kohlendioxid nur 0,03% Volumen Erste Atmosphäre: – Anfang: Wasserstoff (H2) und Helium (He) Methan (CH4) Ammoniak (NH3) Edelgasen -> geringe Erdanziehung schnelle Erdrotation schwach gebunden – Vulkanismus starke Ausgasungen -> erste Atmosphäre – Abnahme Einschläge, langsames abkühlen -> Teilchengeschwindigkeiten verringerten Diffusion ins All – Differenzierung: Erdkruste, Mantel höhere Oxidationsgrad: CO2, N2 und SO2 frei, weniger CH4, H2S und NH3. – Atmosphäre 80 % (H2O), 10 % (CO2) 5 bis 7 % (H2S) (N2), (H2), (CO), Helium, Methan und Ammoniak Archaikum • • Die 2./3. Atmosphäre Zweite Atmosphäre: – Erde abgekühlt, extrem lange Dauerregen, Ozeane gebildet – hohe UV-Einstrahlung ->photochemische Zerlegung Wasser-, Methan- und Ammoniakmoleküle -> Kohlenstoffdioxid, Stickstoff angesammelt – Frühe Stoffwechselvorgänge: gärende und chemolithotrophe Bakterien und Archaeen erhöhten Gehalt an Stickstoff und Methan – Wasserstoff oder Helium verflüchtigten sich in Weltraum, Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff in großen Mengen in Ozeanen gelöst Dritte Atmosphäre: – Sauerstoff(O2) Hauptrolle -> Photosynthese [Photodissoziation Wasserdampfs, vernachlässigbar] – Cyanobakterien vl 3,5 Milliarden erste Lebewesen, Photosynthese, Effekt auf Erdatmosphäre sehr spät. Sauerstoffanreicherung langsam, reagierte mit Eisen und Schwefeloxidation – Bändererze geben noch heute Zeugnis ab von oxidation im Archaikum – immer geringer Eisen(II)-Konzentration und Sulfid-Konzentration vor etwa 2,3 Milliarden ->Anreicherung durch Algen: Sauerstoff Entweichen in Atmosphäre. Sauerstoffkonzentration stieg bis vor 1 Milliarde Jahren auf ungefähr 3 %. Archaikum Urozean • Impakte die Ozean verdampft hätten -> 1500K Dampfatmosphäre 1500K; 3000 Jahre zum abzukühlen • Atmosphärendruck um 100 bis 1000 mal höher als heute • Sättigung der Ozeane mit Calcium Carbonate (Hauptbestandtteil von Kalkstein, aber auch von Knochen) damals wie heute gleich • Sedimentäre Sulfate sind in allen Gesteinen bekannt außer in der Antarktis und bis zu 3.5 Ga alt • Gypsum reichstes Mineral nach Carbonate (Verhältnis geändert mit zeit) • Kalzium und Sulfat Ionen mit der Zeit nicht geändert • Höherer CO2 Druck hätte eine höhere Konzentration von Kalzium, Bicarbonate und Wasserstoff Ionen geführt generell eine niedrigere Konzentration von Carbonate und Sulfat ionen • Sättigung von Barium entspricht höheren CO2 Druck (um Faktor 10 höher in Archaischem Ozean) • Ozeane gesättigt mit Amorphen Silizium (Konzentration von 100 p.p.m) • Verantwortlich für reiche chemische gefällte Silikat Sedimente in Archaikum Archaikum • Westaustralien und Südafrika 3.5Ga Black Smokers Cyanobakterien und Stromatolithen • Präkambrische Kieselgestein (Alterung, Verfestigung gelförmiger Kieselsäure) mit fadenförmigen Zellen, ähnlich Cyanobakterien • Photosynthese vor 3.8Ga: gleich alt Isua Formation (Grönland) • Extrahierte Kohlenstoffverbindungen wie heute durch Photosynthese erzeugt (relativ hoher Anteil an 12C • Auftreten von Stromatolithen – zusammen mit Auftreten von Bändereisenerzen (sehr geringe Sauerstoff war) • Cyanobakterien als oxygene Phototrophe -> Stromatolithe dominierend besiedelt • Stromatolith-ähnliches Gestein (W-Australien: 3,465 Ga alt, Isua, W-Grönland, 3,8 Ga) • gefundene Mikroorganismenreste gedeutete Strukturen auch für abiotisch gehalten Wikipedia.org Stanley Wikipedia.org Quellenangabe: • • • • • • • • • • • • Steven M. Stanley, Historische Geologie Valley et al., A cool early Earth Walker et al., Possible limits on th composition of the Archean ocean Koeberl, Impact Processes on the Early Earth E. B. Watson and T. M. Harrison, Zircon Thermometer Reveals Minimum Melting Conditions on Earliest Earth Wilde et al., Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago Mojzsis et al., Oxygen-isotope evidence from ancient zircons for liquid water at the Earth‘s surface 4,300 Myr ago Chamberlin and Chamberlin (1908), The early Earth environment Mantle Plumes in the Archean Levine et al., The Prebiological Paleoatmosphere: Stability and Composition en.wikipedia.org/wiki/ de.wikipedia.org/wiki/ Präsentation von Gabor Kiss
