Entstehung der Erde

Calcium-Aluminium-Einschlüsse (CAI) in chondritischen Meteoriten sind die ältesten, festen Bestandteile, die sich aus dem Sonnennebel bildeten. Sie bestehen aus Mineralen, wie Anorthit, Melilith, Spinell, Perowskit und wurden mit Hilfe der Pb-Pb-Methode auf ein Alter von 4567.30 ± 0.16 Ma geschätzt (Amelin et al. 2010) = Alter des Sonnensystems 

Das Alter der Erde zu bestimmen ist schwer, da aufgrund von Plattentektonik heute kaum Material vorliegt. Daher werden undifferenzierte, chondritische Meteorite benutzt, die eine ähnliche Zusammensetzung wie die Gesamt-Erde (Bulk Earth) haben. Pb-Pb-Datierungen ergaben ein Alter von 4550 ± 70 Ma (Patterson 1956).

Die Erde lag zunächst als partieller oder vollständiger Magmaozean vor (je nach Modell), wobei die Abkühlung durch (1) Einschläge (z.B. LHB: Late Heavy Bombardment), (2) radioaktiven Zerfall kurzlebiger Isotope (z.B. ²⁶Al → ²⁶Mg), (3) Gravitationskontraktion sowie (4) Kristallisations- und Differentiationswärme verhindert wurde.

Die Differenzierung der Erde in metallischen Kern und silikatischen Mantel dauerte bis ca. 30 - 50 Myr (Hf-W-Alter) nach der Entstehung des Sonnensystems an (Rubie et al. 2007). Die Vollständige Entstehung kleinerer planetarischer Objekte dauerte weniger als 1 Myr, terrestrische Planeten brauchten bis zu 100 Myr (Kleine et al. 2009).

Ca. 62⁺⁹⁰_-10 Myr nach CAI (Hf-W; Touboul et al. 2007) kam es zur Kollision eines Mars-großen Protoplaneten (Theia) mit der Erde. Die Folge war eine Veränderung der Rotationsachse der Erde, zu 23.5° (Halliday 2000) und die Akkretion des Mondes aus der Trümmerwolke.
Durch andere(n) Impakt(e) kam es außerdem zur Anreicherung von HSE (Highly Siderophile Elements) → Late Veneer Event (datiert auf > 100 Myr nach CAI). Die vollständige Homogenisierung der HSE dauerte aber bis ca. 3800 Ma (Li 2022).

Unbekannt ist wann sich die erste feste Erdkruste bildete (Durch Plattentektonik heute keine Relikte). Die älteste Gesteinseinheit ist der Acasta-Gneis (tonalitischer Gneis eines TTG), der eine eine Fläche < 1 km² (Carlson et al. 2019) im kanadischen Slave Kraton bedeckt und U-Pb-Alter von 4019.6 ± 1.8 Ma lieferte (Reining et al. 2016).

Das ältestes terrestrisches Material sind Zirkon-Körner aus einem 3000 Ma alten Quarzit des australischen Yilgarn-Kratons (Jack Hills) mit einem U-Pb-Alter von 4374 ± 6 Ma (Valley et al. 2014). An ihnen lassen sich folgende Beobachtungen machen

1. Sehr variable εHf-Werte (stark negativ bis positiv) lassen auf Magmen-Mischung von älterer, aufgeschmolzener, kontinentaler (angereicherter) Kruste und juvenilem (chondritischen) Mantel schließen (Bell et al. 2014).

2. O-Isotopie belegt außerdem Wasseranteil im alten recycelten Krustenanteil [entweder Hydrosphäre (Ozean) oder mit Wasserdampf angereicherte Atmosphäre (Mojzsis et al. 2001)].

3. Umstritten ist, ob JH-Zirkone frühe Plattentektonik (Subduktionszonen) beweisen (Turner et al. 2020).

Außer dem Acasta und Jack Hills Material, zeigen die meisten archaischen Gesteine/Minerale eine chondritische initiale Isotopenzusammensetzung (z.B. εHf _(i)), dies beweist die Erdkruste bildete sich im Archaikum direkt aus dem primitiven Erdmantel, ohne Recycling älterer Kruste (Salerno et al. 2021). Erst in 3800 - 3600 Ma Gesteinssignaturen zeigt sich ein deutlich positiver ε_{Hf (i)}-Trend eines verarmten Mantels, was bedeutet angereicherte, kontinentale Erdkruste wurde erst ca. 700 Myr nach Erdentstehung aus dem primitivem Erdmantel extrahiert (Vervoort & Kemp 2025). Andere Modelle mit erhöhten Manteldurchmischungsraten können jedoch eine kontinentale Kruste + einen verarmten Mantel schon im Hadaikum erklären (Guo & Korenaga 2023).

Literatur

Amelin, Y., Kaltenbach, A., Iizuka, T., Stirling, C. H., Ireland, T. R., Petaev, M., & Jacobsen, S. B. (2010). U–Pb chronology of the Solar System's oldest solids with variable 238U/235U. Earth and Planetary Science Letters, 300(3-4), 343-350.

Bell, E. A., Harrison, T. M., Kohl, I. E., & Young, E. D. (2014). Eoarchean crustal evolution of the Jack Hills zircon source and loss of Hadean crust. Geochimica et Cosmochimica Acta, 146, 27-42.

Carlson, R. W., Garçon, M., O’neil, J., Reimink, J., & Rizo, H. (2019). The nature of Earth’s first crust. Chemical Geology, 530, 119321.

Guo, M., & Korenaga, J. (2023). The combined Hf and Nd isotope evolution of the depleted mantle requires Hadean continental formation. Science Advances, 9(12), eade2711.

Halliday, A. N. (2000). Terrestrial accretion rates and the origin of the Moon. Earth and Planetary Science Letters, 176(1), 17-30.

Kleine, T., Touboul, M., Bourdon, B., Nimmo, F., Mezger, K., Palme, H., ... & Halliday, A. N. (2009). Hf–W chronology of the accretion and early evolution of asteroids and terrestrial planets. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73(17), 5150-5188.

Li, C. H. (2022). Late veneer and the origins of volatiles of Earth. Acta Geochimica, 41(4), 650-664.

Mojzsis, S. J., Harrison, T. M., & Pidgeon, R. T. (2001). Oxygen-isotope evidence from ancient zircons for liquid water at the Earth's surface 4,300 Myr ago. Nature, 409(6817), 178-181.

Patterson, C. (1956). Age of meteorites and the earth. Geochimica et Cosmochimica Acta, 10(4), 230-237.

Reimink, J. R., Davies, J. H. F. L., Chacko, T., Stern, R. A., Heaman, L. M., Sarkar, C., ... & Pearson, D. G. (2016). No evidence for Hadean continental crust within Earth’s oldest evolved rock unit. Nature Geoscience, 9(10), 777-780.

Rubie, D. C., Nimmo, F., & Melosh, H. J. (2007). Formation of Earth's core. Evolution of the Earth, 9, 51-90.

Salerno, R., Vervoort, J., Fisher, C., Kemp, A., & Roberts, N. (2021). The coupled Hf-Nd isotope record of the early Earth in the Pilbara Craton. Earth and Planetary Science Letters, 572, 117139.

Touboul, M., Kleine, T., Bourdon, B., Palme, H., & Wieler, R. (2007). Late formation and prolonged differentiation of the Moon inferred from W isotopes in lunar metals. Nature, 450(7173), 1206-1209.

Turner, S., Wilde, S., Wörner, G., Schaefer, B., & Lai, Y. J. (2020). An andesitic source for Jack Hills zircon supports onset of plate tectonics in the Hadean. Nature Communications, 11(1), 1241.

Valley, J. W., Cavosie, A. J., Ushikubo, T., Reinhard, D. A., Lawrence, D. F., Larson, D. J., ... & Spicuzza, M. J. (2014). Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography. Nature Geoscience, 7(3), 219-223.

Vervoort, J. D., & Kemp, A. I. (2025). Isotope Evolution of the Depleted Mantle. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 53.