Bay­reu­ther Geo­wis­sen­schaft­ler ver­öf­fent­li­chen in „Natu­re“ neue Erkennt­nis­se zu Oxi­da­ti­ons­pro­zes­sen im Erdmantel.

Symbolbild Bildung

Koh­len­stoff aus dem Erd­in­ne­ren: eine Quel­le für den Koh­len­stoff­kreis­lauf der Erde

Der Koh­len­stoff­kreis­lauf der Erde ist, vor allem wegen sei­ner Bedeu­tung für den Kli­ma­wan­del, von zen­tra­lem Inter­es­se für die umwelt- und geo­wis­sen­schaft­li­che For­schung. Auf wel­chen Wegen und durch wel­che che­mi­schen Pro­zes­se gelangt Koh­len­stoff aus dem Erd­in­ne­ren an die Erd­ober­flä­che und wei­ter bis in die Atmo­sphä­re? Die­se kom­ple­xe Fra­ge ist sowohl unter erd­ge­schicht­li­chen Aspek­ten als auch im Hin­blick auf glo­ba­le Kli­ma­pro­gno­sen von wach­sen­dem Inter­es­se. Bei der Auf­klä­rung der Pro­zes­se, die koh­len­stoff­hal­ti­ge Mine­ra­li­en im Erd­in­ne­ren ent­ste­hen las­sen und zur Frei­set­zung von Koh­len­di­oxid füh­ren, ist ein For­schungs­team am Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut – einem For­schungs­zen­trum der Uni­ver­si­tät Bay­reuth – jetzt einen wesent­li­chen Schritt vor­an­ge­kom­men. In Hoch­druck-Expe­ri­men­ten stell­te sich her­aus, dass der­ar­ti­ge Pro­zes­se im Erd­man­tel von der bis­he­ri­gen For­schung deut­lich unter­schätzt wor­den sind. Im For­schungs­ma­ga­zin „Natu­re“ prä­sen­tie­ren die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler um Prof. Dr. Dani­el Frost und Dr. Cathe­ri­ne McCam­mon ihre Ergebnisse.

Redox-Reak­tio­nen im Erd­in­ne­ren: Wech­sel­wir­kun­gen von Dia­mant und Eisen

Die Ent­ste­hung koh­len­stoff­hal­ti­ger Mine­ra­li­en im Erd­in­ne­ren beruht auf che­mi­schen Reak­tio­nen, die in der For­schung als „Redox-Reak­tio­nen“ bezeich­net wer­den. Für die­se Reak­tio­nen ist es cha­rak­te­ri­stisch, dass Elek­tro­nen von einem Mate­ri­al auf ein ande­res Mate­ri­al über­ge­hen. Che­misch gespro­chen, wird das Mate­ri­al, das die Elek­tro­nen abgibt, oxi­diert; das Mate­ri­al, das sie auf­nimmt, wird hin­ge­gen redu­ziert. Redox-Reak­tio­nen sind am Stoff­wech­sel und an der Pho­to­syn­the­se leben­der Orga­nis­men eben­so betei­ligt wie an ober­ir­di­schen Ver­bren­nungs- und Korrosionsprozessen.

Aber auch im Erd­in­ne­ren fin­den Redox-Reak­tio­nen statt. Hier bewir­ken sie bei­spiels­wei­se, dass durch die Oxi­da­ti­on von Dia­mant­ge­stein koh­len­stoff­hal­ti­ge Mine­ra­li­en ent­ste­hen. Die­se Mine­ra­li­en set­zen ihrer­seits Koh­len­di­oxid frei, das im Mag­ma gebun­den und über vul­ka­ni­sche Pro­zes­se bis zum Mee­res­bo­den hin­auf­trans­por­tiert wird. Weil Dia­mant- und Eisen­an­tei­le im Gestein des Erd­in­ne­ren oft­mals räum­lich benach­bart sind, ist die Oxi­da­ti­on von Dia­mant in vie­len Fäl­len an die Reduk­ti­on von Eisen gekoppelt.

Von der For­schung bis­her unter­schätzt: Oxi­da­ti­ons­pro­zes­se im Erdmantel

Die Vor­aus­set­zun­gen für Oxi­da­ti­ons­pro­zes­se sind im Erd­in­ne­ren unter­schied­lich gut aus­ge­prägt. Je höher die Sauer­stoff-Fuga­zi­tät – also der effek­ti­ve Druck des Sauer­stoffs – in einer Gesteins­schicht ist, desto inten­si­ver sind die dar­in ablau­fen­den Oxi­da­ti­ons­pro­zes­se. Den Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­lern ist es nun gelun­gen, die Sauer­stoff-Fuga­zi­tät in unter­schied­li­chen Tie­fen des Erd­in­ne­ren mit einer bis­her uner­reich­ten Prä­zi­si­on zu bestim­men. Mit­hil­fe der Hoch­druck­pres­sen im Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut wur­den Gesteins­pro­ben extrem hohen Drücken aus­ge­setzt, wie sie in ver­schie­de­nen Tie­fen des Erd­in­ne­ren herr­schen. Das Ergeb­nis: Im obe­ren Erd­man­tel, ins­be­son­de­re in einer Tie­fe von rund 150 Kilo­me­tern, sind die Vor­aus­set­zun­gen für Oxi­da­ti­ons­pro­zes­se erheb­lich gün­sti­ger als bis­her angenommen.

„Unse­re Expe­ri­men­te füh­ren des­halb zu der Schluss­fol­ge­rung: In einem viel grö­ße­ren Umfang, als dies bis­her für mög­lich gehal­ten wur­de, haben sich kar­bon­hal­ti­ge Mine­ra­li­en im obe­ren Erd­man­tel dadurch her­aus­ge­bil­det, dass Gestein aus tie­fe­ren Erd­schich­ten auf­wärts gelangt und oxi­diert ist“, erklärt Dr. Cathe­ri­ne McCam­mon. Und ihr Kol­le­ge Prof. Dr. Dani­el Frost ergänzt: „Oxi­da­ti­ons­pro­zes­se in einer Tie­fe zwi­schen 120 und 150 km füh­ren dazu, dass Dia­man­ten und Gra­phit in Koh­len­di­oxid umge­wan­delt wer­den. Dies ver­ur­sacht Schmelz­pro­zes­se und in deren Fol­ge eine Frei­set­zung von Koh­len­di­oxid aus dem Erd­in­ne­ren. Wir haben es hier mit einer Koh­len­di­oxid-Quel­le zu tun, die am Koh­len­stoff­kreis­lauf der Erde wesent­lich betei­ligt ist.“ Für For­schungs­ar­bei­ten zu extrem hohen Drücken im Erd­in­ne­ren ist Dani­el Frost im Jah­re 2008 mit einem Euro­pean Advan­ced Grant, dem höch­sten For­schungs­preis der Euro­päi­schen Uni­on, aus­ge­zeich­net worden.

Das Baye­ri­sche Geo­in­sti­tut an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth – ein Zen­trum für erfolg­rei­che Nachwuchswissenschaftler

Die Publi­ka­ti­on, die das Bay­reu­ther For­schungs­team in „Natu­re“ vor­ge­legt hat, zeigt bei­spiel­haft, wie aus den For­schungs­ar­bei­ten am BGI inter­na­tio­nal erfolg­rei­che Nach­wuchs­wis­sen­schaft­ler her­vor­ge­hen. Dr. Vin­cen­zo Sta­g­no, Erst­au­tor der Ver­öf­fent­li­chung, hat eini­ge der dar­in beschrie­be­nen Hoch­druck-Expe­ri­men­te im Rah­men sei­ner Dis­ser­ta­ti­on durch­ge­führt und arbei­tet seit kur­zem am Geo­phy­si­cal Labo­ra­to­ry der Car­ne­gie Insti­tu­ti­on of Washing­ton. Dick­son O. Ojwang been­det der­zeit den Master-Stu­di­en­gang „Expe­ri­men­tal Geo­sci­en­ces“ an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, dem­nächst wird er eine Stel­le als wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter an der Uni­ver­si­tät Stock­holm antreten.

Ver­öf­fent­li­chung:

The oxi­da­ti­on sta­te of the mant­le and the extrac­tion of car­bon from Earth’s interior,
in: Natu­re 493, 84–88 (03 Janu­a­ry 2013)
DOI: 10.1038/nature11679

Ansprech­part­ner:

Dr. Cathe­ri­ne McCammon
Baye­ri­sches Geo­in­sti­tut (BGI)
Uni­ver­si­tät Bayreuth
D‑95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0) 921 55 3709 / 3753
Catherine.​McCammon@​uni-​bayreuth.​de

Prof. Dr. Dani­el Frost
Baye­ri­sches Geo­in­sti­tut (BGI)
Uni­ver­si­tät Bayreuth
D‑95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0) 921 55 3737
Dan.​Frost@​uni-​bayreuth.​de