Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Neue Erklä­rung für Oxi­da­ti­ons­pro­zes­se im Erdmantel

Symbolbild Bildung

Geo­wis­sen­schaft­ler am Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut, einem For­schungs­zen­trum der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, zei­gen die Unver­misch­bar­keit von Was­ser und Was­ser­stoff in Flu­iden des Erd­man­tels – und reha­bi­li­tie­ren zugleich eine alte Erklä­rung für die Ent­ste­hung des Lebens.

Schon seit län­ge­rer Zeit ver­mu­ten Geo­wis­sen­schaft­ler, dass es in der frü­hen Erd­ge­schich­te einen umfas­sen­den Oxi­da­ti­ons­pro­zess im Erd­man­tel gege­ben haben muss. Im Wis­sen­schafts­ma­ga­zin „Natu­re“ prä­sen­tie­ren For­scher des Baye­ri­schen Geo­in­sti­tuts (BGI) dafür eine über­ra­schen­de Erklä­rung: Ent­ge­gen bis­he­ri­gen ther­mo­dy­na­mi­schen Model­len haben sie nach­ge­wie­sen, dass Was­ser und Was­ser­stoff in Flu­iden des Erd­man­tels getrennt vor­kom­men kön­nen. Sie füh­ren die Oxi­da­ti­on des Erd­man­tels dar­auf zurück, dass unmit­tel­bar nach der Ent­ste­hung des Erd­kerns rie­si­ge Men­gen von fast rei­nem Was­ser­stoff frei­ge­setzt wur­den. Die For­schungs­er­geb­nis­se sind für die Fra­ge nach der Ent­ste­hung des Lebens von erheb­li­cher Tragweite.

Unge­wöhn­li­che Simu­la­ti­ons­ex­pe­ri­men­te bei hohen Drücken

Der obe­re Erd­man­tel ist der­je­ni­ge Teil des Erd­man­tels, der direkt unter­halb der Erd­kru­ste in einer Tie­fe von rund 40 km beginnt und bis etwa 410 km reicht. In den Labo­ra­to­ri­en des BGI haben Dr. Eni­kö Bali, Prof. Dr. Hans Kepp­ler und Dr. Andre­as Audé­tat die von hohen Drücken und Tem­pe­ra­tu­ren bestimm­ten Ver­hält­nis­se in rund 100 km Tie­fe unter der Erd­ober­flä­che simu­liert. Sie woll­ten über­prü­fen, inwie­weit Was­ser­stoff und Was­ser sich inner­halb von Flu­iden des obe­ren Erd­man­tels ver­mi­schen. Dabei haben sie einen Kri­stall aus Quarz oder Oli­vin in einer mit Was­ser gefüll­ten Pla­tin­kap­sel ein­ge­schlos­sen. Die Pla­tin­kap­sel wur­de dann ihrer­seits in eine Eisen­kap­sel gesteckt, die Zwi­schen­räu­me zwi­schen bei­den Kap­seln wur­den mit einer Mischung aus Was­ser (H2O) und Eisen­oxid (FeO) gefüllt. Die­ser Kap­sel­auf­bau pro­du­ziert Oxi­da­ti­ons­ver­hält­nis­se, wie sie wäh­rend der Ent­ste­hung des Erd­kerns geherrscht haben müssen.

Bei Tem­pe­ra­tu­ren von 800 bis 1.000 Grad Cel­si­us und Drücken von 15.000 bis 20.000 bar trennt sich das Was­ser im Innern der Pla­tin­kap­sel auf in fast rei­nen Was­ser­stoff und fast rei­nes Was­ser. Die­se bei­den Kom­po­nen­ten drin­gen ent­lang von Ris­sen in den Kri­stall ein, hier wer­den sie in Form klei­ner Tröpf­chen eingeschlossen.

Eine Wider­le­gung gän­gi­ger ther­mo­dy­na­mi­scher Modelle

Nach­dem der Oli­vin­kri­stall abge­kühlt und getrock­net war, lie­ßen sich mit­hil­fe mikro­sko­pi­scher Ver­fah­ren zwei Arten von Ein­schlüs­sen klar unter­schei­den: Die einen bestan­den zu mehr als 95 Mol-Pro­zent aus Was­ser, die ande­ren zu mehr als 95 Mol-Pro­zent aus Was­ser­stoff (der Anteil einer Sub­stanz an einem Stoff­ge­misch wird in Mol-Pro­zent angegeben).

Zu dem glei­chen Resul­tat führ­ten Expe­ri­men­te, in denen anstel­le des Oli­vin­kri­stalls ein Quarz ver­wen­det wur­de. „Die­se Ergeb­nis­se haben uns über­rascht“, erklärt Dr. Andre­as Audé­tat vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut. „Denn sie wider­le­gen aner­kann­te ther­mo­dy­na­mi­sche Model­le, wonach unter den Hoch­druck- und Hoch­tem­pe­ra­tur­ver­hält­nis­sen im Erd­man­tel eine voll­stän­di­ge Ver­mi­schung von Was­ser und Was­ser­stoff stattfindet.“

Eine neu­er Ansatz für die Rekon­struk­ti­on der Erdgeschichte

Der Nach­weis, dass Was­ser­stoff und Was­ser in den Flu­iden des obe­ren Erd­man­tels sepa­rat auf­tre­ten kön­nen, ermög­licht eine neue Sicht auf den Ver­lauf der Erd­ge­schich­te. Vor mehr als vier Mil­li­ar­den Jah­ren war der mei­ste auf der Erde vor­kom­men­de Koh­len­stoff im Erd­kern und in der Atmo­sphä­re ent­hal­ten, wäh­rend der aus Sili­ka­ten bestehen­de obe­re Erd­man­tel ver­gleichs­wei­se koh­len­stoff­arm war. Die dar­in ent­hal­te­nen Flu­ide ent­hiel­ten haupt­säch­lich Was­ser. Heu­te dage­gen ist Koh­len­di­oxid ein haupt­säch­li­cher Bestand­teil die­ser Flu­ide. Die­ser Wan­del muss durch einen umfas­sen­den Oxi­da­ti­ons­pro­zess im obe­ren Erd­man­tel ver­ur­sacht wor­den sein.

Neue Unter­su­chun­gen an rund 4 Mil­li­ar­den Jah­ren alten Mine­ral­pro­ben las­sen ver­mu­ten, dass die­se Oxi­da­ti­on bereits sehr früh in der Erd­ge­schich­te statt­ge­fun­den hat. Die jetzt in „Natu­re“ ver­öf­fent­lich­ten For­schungs­er­geb­nis­se stüt­zen die­se Annah­me und ermög­li­chen zugleich eine Erklä­rung. „Die heu­ti­ge geo­che­mi­sche Struk­tur des Erd­man­tels erscheint sehr plau­si­bel, wenn man annimmt, dass aus dem im Erd­man­tel ent­hal­te­nen Was­ser gro­ße Men­gen an Was­ser­stoff ent­stan­den sind“, erklärt Prof. Dr. Hans Kepp­ler. „Der Was­ser­stoff hat sich vom Was­ser getrennt und ist wegen sei­ner gerin­gen Dich­te schnell bis in die Atmo­sphä­re auf­ge­stie­gen. Dabei hat er die Oxi­da­ti­on des Erd­man­tels ver­ur­sacht, indem er ihm Was­ser­stoff ent­zo­gen hat.“

Wie ist Leben auf der Erde ent­stan­den? Eine Reha­bi­li­tie­rung des Miller-Urey-Experiments

Damit Leben auf der Erde ent­ste­hen konn­te, muss­ten sich zunächst ein­mal kom­ple­xe orga­ni­sche Mole­kü­le bil­den kön­nen. Bereits in den 1950er Jah­ren haben die U.S.-amerikanischen For­scher Stan­ley Mil­ler und Harold Clay­ton Urey in einem nach ihnen benann­ten Expe­ri­ment gezeigt, wie dies mög­lich war, genau­er gesagt: wie Ami­no­säu­ren und ande­re Bestand­tei­le des Lebens auf anor­ga­ni­schem Weg ent­ste­hen konn­ten. Die von ihnen ent­wickel­te Erklä­rung setzt aller­dings vor­aus, dass es in der Erd­at­mo­sphä­re einen gleich­mä­ßig hohen Anteil an Was­ser­stoff gab. Dies aber wur­de in der For­schung zuneh­mend ange­zwei­felt, weil Was­ser­stoff wegen sei­ner gerin­gen Mas­se leicht in den Welt­raum entweicht.

Die jetzt in „Natu­re“ ver­öf­fent­lich­ten Ergeb­nis­se zei­gen nun, wie der ent­wi­che­ne Was­ser­stoff kom­pen­siert wer­den konn­te: näm­lich durch rie­si­ge Men­gen an Was­ser­stoff, die aus dem Erd­man­tel an die Erd­ober­flä­che gelangt sind. „Auf die­se Wei­se war gewähr­lei­stet, dass die Atmo­sphä­re einen sta­bil hohen Anteil an Was­ser­stoff ent­hielt. Die von Mil­ler und Urey ent­wickel­te Erklä­rung für die Ent­ste­hung des Lebens ist daher kei­nes­wegs obso­let“, erklärt Prof. Keppler.

Ver­öf­fent­li­chung:

Eni­kö Bali, Andre­as Audé­tat and Hans Keppler,
Water and hydro­gen are immi­sci­ble in Earth’s mantle,
in: Natu­re 495, 220–222 (14 March 2013)
DOI: 10.1038/nature11908

Ansprech­part­ner:

Prof. Dr. Hans Keppler
Baye­ri­sches Geoinstitut
Uni­ver­si­tät Bayreuth
D‑95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55 3744/3752/3754
E‑Mail: Hans.​Keppler@​uni-​bayreuth.​de