Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Neue Ein­blicke in den Mate­ri­al­kreis­lauf der Erde

Symbolbild Bildung

Sauer­stoff­zu­fuhr aus dem Erd­in­ne­ren: ein Bei­trag z ur Ent­wick­lung der Atmosphäre

Ein inter­na­tio­na­les For­schungs­team mit Dr. Cathe­ri­ne McCam­mon vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut prä­sen­tiert in ‚Natu­re Geo­sci­ence‘ neue Erkennt­nis­se zum Mate­ri­al­kreis­lauf im Erdinneren.

Der Erd­man­tel, der unter­halb der rund 40 Kilo­me­ter dicken Erd­kru­ste beginnt und bis in eine Tie­fe von rund 2.900 Kilo­me­tern hin­ab­reicht, ist kei­ne sta­ti­sche Erd­schicht. Seit der frü­hen Erd­ge­schich­te gibt es die Man­tel­kon­vek­ti­on: Hei­ßes Mate­ri­al wan­dert aus dem Erd­kern durch den Erd­man­tel nach oben in Rich­tung Erd­kru­ste, wäh­rend umge­kehrt Mate­ri­al der Erd­kru­ste in Rich­tung Erd­kern absinkt. Ein inter­na­tio­na­les For­schungs­team mit Dr. Cathe­ri­ne McCam­mon vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) der Uni­ver­si­tät Bay­reuth berich­tet jetzt in ‚Natu­re Geo­sci­ence‘, dass die­ser Kreis­lauf die Tren­nung von Mate­ria­li­en för­dert, die sich in Bezug auf ihre Dich­te, ihr Gewicht und ihren Sauer­stoff­ge­halt unterscheiden.

Hoch­druck-Expe­ri­men­te mit Bridgmanit

Aus­gangs­punkt die­ser Ent­deckung waren Hoch­druck-Expe­ri­men­te mit Bridgma­nit, einem Mine­ral, das mehr als die Hälf­te des Volu­mens der Erde aus­macht und auch den wesent­li­chen Bestand­teil des unte­ren Erd­man­tels dar­stellt. Eines der zen­tra­len Ergeb­nis­se lau­tet: Bridgma­nit, das aus Glas in einer sauer­stoff­rei­chen Umge­bung gebil­det wur­de, ist ein oxi­dier­tes Mine­ral und bin­det Sauer­stoff. Umge­kehrt ver­hält es sich mit Bridgma­nit, das aus Glas in einer sauer­stoff­ar­men Umge­bung ent­stan­den ist. Es bin­det weni­ger Sauer­stoff und hat den Sta­tus eines redu­zier­ten Mine­rals. Vor allem besitzt es eine höhe­re Dich­te als das sauer­stoff­rei­che Mine­ral. „Die­ser Unter­schied beträgt nur 1 bis 1,5 Pro­zent und ist damit drei­mal nied­ri­ger als der Dich­t­e­un­ter­schied zwi­schen Was­ser und Milch“, erklärt Dr. McCam­mon. „Aber eine sol­che klei­ne Dif­fe­renz reicht bereits aus, um dem oxi­dier­ten Mine­ral ein gerin­ge­res Gewicht zu verleihen.“

Aus­stoß von Sauer­stoff in die Erd­at­mo­sphä­re: ein mög­li­cher Bei­trag zur Bewohn­bar­keit der Erde

Auf die Hoch­druck-Expe­ri­men­te folg­ten Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen. Auf­grund der Annah­me, dass in den frü­hen Anfän­gen der Erd­ge­schich­te oxi­dier­tes und sauer­stoff­ar­mes Mate­ri­al unge­fähr gleich­mä­ßig im Inne­ren unse­res Pla­ne­ten ver­teilt waren, stand ein sol­ches Gemisch am Beginn der Simu­la­tio­nen. Es wur­de nun am Rech­ner einer Dyna­mik aus­ge­setzt, wie sie für die Man­tel­kon­vek­ti­on cha­rak­te­ri­stisch ist. Nach weni­ger als 800 Mil­lio­nen Jah­ren, so die Berech­nun­gen, beweg­te sich das oxi­dier­te und daher leich­te­re Mine­ral nach oben in Rich­tung Erd­ober­flä­che. Dabei wur­de Sauer­stoff infol­ge che­mi­scher Pro­zes­se frei­ge­setzt und – bei­spiels­wei­se im Zusam­men­hang mit der Ent­ste­hung von Vul­ka­nen – in die Erd­at­mo­sphä­re abge­ge­ben. „Die­ser Sauer­stoff könn­te in der frü­hen Erd­ge­schich­te teil­wei­se dazu bei­getra­gen haben, dass sich die Erde zu einem bewohn­ba­ren Pla­ne­ten ent­wickelt hat“, meint Dr. McCam­mon. Das dich­te­re­re und schwe­re­re Mate­ri­al hin­ge­gen sank im Ver­lauf der Simu­la­tio­nen in den unte­ren Erd­man­tel hin­ab. Die geo­lo­gi­sche Tren­nung der bei­den Mine­ra­li­en setz­te sich immer wei­ter fort und hält auf­grund der Man­tel­kon­vek­ti­on bis heu­te an.

Inter­na­tio­na­le Kooperation

Die jetzt in ‚Natu­re Geo­sci­ence‘ ver­öf­fent­lich­te Stu­die ist in einer engen trans­at­lan­ti­schen Zusam­men­ar­beit ent­stan­den. An der Uni­ver­si­tät Bay­reuth hat Dr. Cathe­ri­ne McCam­mon ins­be­son­de­re die Möss­bau­er-Unter­su­chun­gen des oxi­dier­ten und des sauer­stoff­ar­men Bridgma­nit vor­ge­nom­men und aus­ge­wer­tet. An der Yale Uni­ver­si­ty haben Prof. Dr. Kana­ni K. M. Lee und ihre Kol­le­gin Dr. Ting­ting Gu das Pro­jekt kon­zi­piert und Hoch­druck-Expe­ri­men­te mit Dia­mant-Stem­pel­zel­len durch­ge­führt, Dr. Ming­ming Li von der Ari­zo­na Sta­te Uni­ver­si­ty war an den Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen betei­ligt. „Unse­re For­schungs­ar­bei­ten sind daher ein wei­te­res Bei­spiel dafür, wie stark das Baye­ri­sche Geo­in­sti­tut mit der welt­wei­ten geo­lo­gi­schen For­schung ver­netzt ist“, so Dr. McCammon.

Ver­öf­fent­li­chung:

Ting­ting Gu, Ming­ming Li, Cathe­ri­ne McCam­mon, Kana­ni K. M. Lee,
Redox-indu­ced lower mant­le den­si­ty con­trast and effect on mant­le struc­tu­re and pri­mi­ti­ve oxygen,
Natu­re Geo­sci­ence (2016), DOI: 10.1038/ngeo2772