Uranisotope erklären Erdkrustenkreislauf

Dank Uranisotopen hat die Geologie neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie die Erde ihre Kruste wiederverwertet. Dies wurde möglich, weil sich dank der langen Halbwertszeit von Uranisotopen das Alter und die Herkunft von Vulkangesteinen bestimmen lassen. Uran liegt in verschiedenen Istopen vor, besonders als Uran-238 oder etwa als leichteres Uran-235. Diese können je nach Umweltbedingungen unterschiedlich oxydieren. In einer sauerstofflosen Umgebung – wie sie auf der jungen Erde herrschte – als vierfach positiv geladenes Uran(IV), sowie als sechsfach positiv geladenes Uran(VI), nachdem Sauerstoff entstanden war und Uran(IV) oxidiert hatte. Die Geologie orientiert sich an diesen Oxidationsformen und Istopen von Uran, um die Veränderungen der Erdoberfläche und die Wiederverwertung von Krusten über den Lauf der vergangenen Milliarden Jahren nachzuvollziehen.

«Fingerabdrücke» von Uranisotopen in Vulkangestein

Unterschiedliche Uranisotope und -oxidationsformen hinterlassen in Vulkangestein Signaturen, die dem jeweiligen Erdzeitalter und dem Erdkrustenmaterial entsprechen, das durch Subduktion in den Erdmantel abtauchte und dort wiederverwendet wurde. Forschende verglichen nun relativ junges vulkanisches Material aus dem oberen Erdmantel mit Basalten von Ozeaninseln wie Hawaii, die von Magmasäulen gebildet wurden, die wohl bis zu zwei Milliarden Jahre altes Material aus dem Grenzbereich von Erdkern und Erdmantel an die Oberfläche gebracht haben. Zum Vergleich bestimmten die Forschenden zudem die Verhältnisse der Uranisotope von Meteoriten, die aus dem gleichen Ausgangsmaterial wie die Erde bestehen und damit die ursprünglichen Uran-Komposition der Erdkruste aufweisen.

Junges Basaltgestein wies ein deutlich grösseres Isotopenverhältnis von Uran-238 zu Uran-235 auf als Inselbasalte oder Meteoriten. Deshalb gehen die Forschenden davon aus, dass das im jungen Gestein enthaltene Uran sowohl auf dem Land als auch im Wasser Kontakt mit Sauerstoff hatte. Es veränderte sich also zu einer Zeit, als sowohl Atmosphäre als auch Wasser mit dem Gas versorgt waren. Dies war vor 600 Millionen Jahren der Fall, als es zu einem zweiten markanten Anstieg des Sauerstoffgehaltes auf der Erdoberfläche kam. Erst danach wurde die ozeanische Kruste, welche das veränderte Uran aufgenommen hatte, durch Subduktion in den Erdmantel gezogen. Später wurde dieses Gestein durch die Konvektion des Erdmantels wieder an die Oberfläche befördert.

Bei den alten Inselbasalten hingegen entsprach das Verhältnis von Uran-238 zu Uran-235 demjenigen der Vergleichsmeteoriten, da sie keinen oder nur wenig Sauerstoffkontakt hatten, bevor sie in den unteren Erdmantel gelangten. In Anbetracht ihrer Uranisotope konnten sie demnach nicht von jungen subduzierten Ozeankrusten stammen. Erstmals konnte so ein Forschungsteam mit Daten belegen, dass die Quellen dieser Vulkangesteine älter als 600 Millionen Jahre sind. Morten Andersen, Geochemiker am Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich, nennt als ein wichtiges Erkenntnis der Studie die Erkenntnis, wie veränderte Bedingungen an der Erdoberfläche und die Zunahme von Sauerstoff in der Atmosphäre die Zusammensetzung der tiefen Erde beeinflussen. Die Studie diene vor allem der Grundlagenforschung. Trotzdem könnten die gefundenen Uranisotopen-Signaturen wirtschaftlich genutzt werden, um unbekannte Uranvorkommen aufzuspüren.