Die Zirkone des Hadaikums (Englisch Hadean zircons) sind die ältesten bekannten Minerale des Planeten Erde. Sie können bis auf 4404 ± 8 Millionen Jahre in die Anfangsphase des Hadaikums zurückverfolgt werden. Die Bedeutung von Zirkonen liegt in der Tatsache begründet, dass sie gegenüber chemischen Veränderungen enorm resistent sind und außerdem als kleine Körner oder Kristalle in den meisten magmatischen und metamorphen Gesteinen vorkommen, aber auch detritisch in Sedimentgesteinen. Sie werden daher bevorzugt bei der radiometrischen Altersbestimmung verwendet.
Etymologie mini|hochkant=1.6|Satellitenaufnahme (Landsat 5) der Jack Hills in Westaustralien – Fundort der bisher ältesten bekannten Zirkone
Der Name Zirkon stammt aus dem Arabischen, das jedoch seinerseits dieses Wort aus dem Mittelpersischen entlehnt hat. Das arabische männliche Substantiv lautet zarqūn (زَرْقُون) mit der Bedeutung „Rotbleierz, Minium, Zirkon“ und allgemein „roter Edelstein“, die persische Bezeichnung ist زرگون zargun für „goldfarben“.
Das Äon Hadaikum ist nach Hades ( oder , dorisch ), dem griechischen Gott der Unterwelt, benannt.
Geschichtliches Die ältesten und daher auch am besten bekannten Zirkone stammen vom Mount Narryer und von den Jack Hills im Yilgarn-Kraton in Westaustralien. Sie wurden erstmals im Jahr 1983 von Daniela Froude und Kollegen (Mount Narryer) und 1986 von William Compston und R. T. Pidgeon (Jack Hills) beschrieben.
Einführung Da die bisher ältesten (und auch definitiv datierten) Gesteinsproben nicht älter als 4031 ± 3 Millionen Jahre sind (und daher das Ende des Hadaikums definieren), muss unser Verständnis für die Erde des Hadaikums hochgradig spekulativ bleiben. Auch wenn wir durchaus vermuten dürfen, dass die Erde während des Hadaikums intensiv von Meteoriten impaktiert wurde und dass auch der radioaktiv bedingte Wärmefluss dreimal höher lag als heute, so blieb die gemittelte geochemische Zusammensetzung der Erde dennoch in etwa die gleiche. Was wir mit Sicherheit wissen ist, dass das Mineral Zirkon (ZrSiO4) sich bilden konnte und auch erhalten blieb.
Zirkone und ihre Bedeutung Wegen ihrer Beständigkeit gegenüber Verwitterungsprozessen, ihrer geringen Löslichkeit, ihrer Schockresistenz, ihrer geringen Diffusivität und ihrer Anreicherung an Uran und Thorium im Vergleich zum Tochterelement Blei werden Zirkone schon seit langer Zeit als vorrangige Geochronometer angesehen. Neuerdings sind aber auch die Spurenelement- und die Isotopenzusammensetzung ins Licht des Interesses gerückt und werden jetzt als wertvolle Indikatoren für die bei der Kristallisation herrschenden Umweltparameter angesehen. Selbst wenn Zirkone aus ihrem ursprünglichen Gesteinsverband herausgetrennt wurden – wie sie beispielsweise jetzt als detritische Körner in klastischen Gesteinen vorliegen – können Spurenelement- und Isotopensignaturen immer noch bedeutungsvolle Informationen über die Bedingungen ihrer Protolithen liefern – sofern die Körner nicht sekundär beeinträchtigt wurden.
Typologie mini|hochkant=1.6|Clusterbildung in der Zirkontypologie. Oben links Zirkone aus Kimberliten, oben mittig detritische Zirkone des Hadaikums und unten rechts Zirkone der ozeanischen Kruste. Aufgetragen ist das Verhältnis U/Yb gegenüber Y.
In Zirkonen können aufgrund unterschiedlicher Konzentrationen an Uran und Seltenen Erden vier folgende Clusterbildungen (Anhäufungen) beobachtet werden: extraterrestrische Zirkone in Mondgesteinen und in Meteoritenmaterial detritische Zirkonkörner in Kimberliten gefundene Erdmantelzirkone und aus ozeanischer Kruste hervorgegangene Zirkone. Die beiden Hauptcharakteristiken zur Abtrennung von Mantelzirkonen und aus ozeanischer Kruste entstandenen Zirkonen von extraterrestrischen Zirkonen sind ihre relativ tiefen Kristallisationstemperaturen und ihre Spurenelementgehalte. Zirkone des Mondes und von Meteoriten nehmen aufgrund ihrer Seltenen-Erd-Konzentration und ihrer fehlenden Ceranomalie eine besondere Position ein. Die Kristallisationstemperaturen schwanken bei extraterrestrischen Proben wie des Mondes zwischen 900 und 1100 °C. Im Gegensatz hierzu bleiben terrestrische Zirkone auf 600 bis 780 °C beschränkt. Zirkone des Hadaikums aus den Jack Hills haben im Vergleich zu den meteoritischen Zirkonen eine weitaus größere Bandbreite an Sauerstoffgehalten. An keinen der irdischen Fundorte wurden jemals extraterrestrische Zirkone entdeckt. Gefügemerkmale wie Wachstumszonierung und Inklusionsmineralogie deuten darauf hin, dass die mehr als 4000 Millionen Jahre alten Zirkone der Jack Hills alle Magmatiten entstammen.
Eigenschaften Altersverteilung mini|hochkant=1.6|Altersverteilung (Histogramm) der mittels der Uran-Blei-Methode datierten Zirkone in den Jack Hills (individuelle 207Pb/206Pb-Alter). Zu erkennen, dass nur ein sehr geringer Prozentsatz der mehr als 100.000 datierten Zirkone über 4000 Millionen Jahre hinausreicht. Vorhanden sind 3 Peaks – im Phanerozoikum um 200 Millionen Jahre, um 1800 Millionen Jahre und um 2700 Millionen Jahre im Neoarchaikum. Drei untergeordnete Peaks liegen bei 600 Millionen Jahren, bei 1100 Millionen Jahren und bei 2500 Millionen Jahren an der Wende Archaikum/Proterozoikum.
Anmerkung: die gemachten Angaben beruhen größtenteils auf den Zirkonen der Jack Hills in Westaustralien.
Wie bereits angesprochen gilt die Uran-Bleidatierung bei Zirkonen als Krustengeochronometer par excellence, da Zirkonkristalle chemisch resistent und im Vergleich zum Tochterelement Blei an Uran und Thorium angereichert sind. Spurenelement- und Isotopenzusammensetzung der Zirkone ist bei der Bestimmung der Kristallisationsbedingungen von entscheidender Bedeutung.
Ergebnisse an detritischen Zirkonen aus dem Konglomerat vom Eranondoo Hill zeigen, dass die Zirkone eine bimodale Altersverteilung aufweisen, mit bedeutenden Peaks bei 3400 und 4100 Millionen Jahren.
Der Nachteil bei Zirkonen ist ihre Sensitivität gegenüber den Schäden radioaktiven Zerfalls, der die betroffenen Stellen in amorphe Substanzen umwandelt. Zirkone mit höheren Urankonzentrationen als 600 ppm sind daher den nach ihrer Kristallisation einsetzenden Umwandlungsreaktionen ausgesetzt.
Isotopengeochemie Die Isotopendaten sind stabil und verweisen hiermit auf die Tatsache, dass die ursprünglichen Protolithen der Zirkone zu einer bedeutenden Masse von Material in Verbindung stehen, welches sich auf oder in unmittelbarer Nähe der Erdoberfläche gebildet hatte und anschließend in Bereiche der Mittel- und Unterkruste absank. Dort schmolz es zu Stammmagmen auf, aus denen sodann die Zirkone auskristallisierten.
Sauerstoffisotopenverhältnisse Bei den Sauerstoffisotopen zeigen Granitoide generell niedrigere δ18O-Werte (wesentlich geringer als 6 ‰). Hydrothermale Interaktionen mit meteorischem Wasser waren wesentlich wichtiger als Verwitterungsprozesse. Im Jahr 2001 berichteten zwei unabhängige Forschungsteams recht hohe δ18O-Werte in den Jack Hills-Zirkonen des Hadaikums und machten daher den Vorschlag, dass der Protolith dieser Körner an δ18O angereicherte Tonminerale enthielt und somit flüßiges Wasser an der Erdoberfläche bereits um 4300 Millionen Jahre zugegen war.
Leider sind die analysierten Zirkonareale in den Zirkonkörnern nicht immer zusammenhängend. Es entstehen dadurch Schwierigkeiten, speziell datierte Abschnitte mit der allgemeinen Sauerstoff- und Hafniumisotopensystematik und auch den Spurenelementkonzentrationen zu korrelieren.
Lutetium-Hafnium Die Lutetium-Hafnium-Systematik lässt womöglich auf ein sehr früh gebildetes Magmenreservoir schließen, welches kontinentaler Kruste in ihrer Abreicherung von Lutetium im Vergleich zu Hafnium ähnelt. Das Isotopenverhältnis 176Hf/177Hf in Krustengesteinen ist konform mit einer Krustenbildung ab 4500 Millionen Jahre. Die meisten Zirkondaten unterstützen diese Krustenbildung um 4500 Millionen Jahre – einige Ergebnisse sind jedoch nicht realistisch, da sie eine Abtrennung des jeweiligen Protolithen aus dem uniformen Chondrit-Reservoir (CHUR) nahelegen. Diese Schwierigkeit positiver εHf(T)-Werte erklärt sich zum Teil aus dem Umstand, dass die Hafnium-Isotopenanalyse und die Uran-Blei-Daten nicht gleichzeitig zugänglich sind.
Das Lu/Hf-Verhältnis von rund 0,01 bildet eine Gerade, die mehrere Häufungen entlang ihres Verlaufs aufweist. Sie lässt insgesamt auf ein an Lutetium abgereichertes Reservoir rückschließen. Diese Angaben lassen sich entweder mit einer früh erfolgten Extraktion stark felsischen Krustenmaterials oder mit dem Wiederaufschmelzen eines primordialen, basaltischen Reservoirs in Einklang bringen. In beiden Fällen liefert eine Extrapolation des Geradentrends einen heutigen εHf(T)-Wert von approximativ − 100. Zwischen 3900 und 3700 Millionen Jahren kam es zur Rezyklierung, die in ihrer Hafnium-Isotopenentwicklung modernen subduktionsbeinflussten Orogenen recht ähnlich ist und daher eine zusätzliche tektonische Bedeutung haben dürfte.
Plutonium-Xenon Einige der Zirkone des Hadaikums enthielten ursprünglich Plutonium – ein Element, das mittlerweile aus der natürlichen Umwelt verschwunden ist. Unter Meteoriten lag das initiale Verhältnis von Pu/U bei rund 0,007 und 244Pu war im Frühen Sonnensystem (engl. Early Solar System oder abgekürzt ESS) vorhanden. Dieses Verhältnis kann dahin gedeutet werden, dass während eines späteren Metamorphoseereignisses Xenon verlorenging. Uran wurde zum löslichen Uranylion (UO22+) oxidiert.
Die initialen Pu/U-Verhältnisse der Zirkone in den Jack Hills schwanken jetzt zwischen 0,007 bis 0,0.
Da die Löslichkeit von Plutoniumverbindungen gering ist, gelten signifikante Abweichungen im Pu/U-Verhältnis als effektives Anzeichen für eine wässrige Alteration der Protolithen in den Jack Hills. Ansonst verweist nur noch das Verhältnis Nd/U auf eine Korrelierbarkeit mit wässrigen Prozessen.
Zirkone mit hohem Nd/U liefern nur ein niedriges Pu/U-Verhältnis, wohingegen gewöhnliche Nd/U-Zirkone mehr heterogene Resultate zeitigen. Hoch-Nd/U-Zirkone sind offensichtlich magmatisch weniger fortentwickelt als andere Zirkone des Hadaikums und ihre REE-Muster deuten auf eine gewisse Alteration hin – entweder durch eine Wechselwirkung mit hydrothermalen Flüssigkeiten oder durch Phosphataustausch. Die Gruppe besteht rein aus Zirkonen mit niedrigem Pu/U-Verhältnis und ihre Uran-Xenon-Alter bewegen sich vom Hadaikum bis ins Proterozoikum.
Lithium Die Lithiumkonzentration zeigt in Zirkonen des Hadaikums signifikative Abweichungen. Auch der Gehalt des Isotops 7Li schwankt in den Jack Hills zwischen −18,5 bis +11,8 ‰. Die Messungen erfolgen mit dem relativ neuen SIMS-Verfahren. Die betont negativen Werte deuten womöglich auf einen Krustenprotolithen, der einer intensiven Verwitterung ausgesetzt war. Folglich befand sich der Protolith im Verlauf seiner Entwicklung einmal an der Erdoberfläche. Darüber hinaus überlappen die 7Li-Werte mit alterierten Gesteinen.
Lithiumkonzentrationen in Zirkonen liegen in primitiven Gesteinen (wie in Kimberlit-Megakristallen und in ozeanischer Kruste) unterhalb von 0,1 ppm, wohingegen Zirkone aus entwickelten Krustengesteinen Konzentration im 10er und 100er ppm-Bereich aufweisen. In Zirkonen der Jack Hills wurden Konzentrationen von 1 bis 70 ppm Lithium gemessen. Die hohen Lithiumkonzentrationen sind bezeichnend für entwickelte Krustenbereiche.
Generell ist bei den Lithiumdaten Vorsicht geboten, denn bei niedrigen Temperaturen weist Li+ in Zirkonen und überhaupt in Silikaten eine hohe Diffusivität auf und im Verlauf eines Metamorphoseereignisses kann es möglicherweise zu einem Austausch mit Wasserstoff (H+) und vergleichbaren Ionen kommen. Sollte dies der Fall sein, dann reflektieren die Isotopenzusammensetzungen wohl eher eine nach der Ablagerung erfolgte Alteration im Quarzit-Protolithen der Jack Hills als eine intrinsische Eigenschaft der Zirkone in den Ausgangsgesteinen.