Die Anwesenheit von Carbonaten im Erdmantel ist aus Diamanteinschlüssen bekannt, aber wie Kohlenstoff dorthin transportiert wird, bleibt ein Mysterium. Ein internationales Forscherteam hat dieses Geheimnis durch Hochdruckversuche am ESRF, dem Europäischen Synchrotron in Grenoble, Frankreich, näher untersucht. Die Wissenschaftler enthüllten zwei neue Eisen-Carbonat-Verbindungen und stellten fest, dass Selbst-Oxidations-Reduktions-Reaktionen Carbonate im Mantel bewahren und damit zu einem potentiellen Kohlenstoffträger bis zum Beginn des Erdkerns werden konnten. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Die Untersuchung der Bedingungen im Erdinneren ist entscheidend, um uns nicht nur einen Einblick in die Erdgeschichte zu ermöglichen, sondern auch das aktuelle Umfeld und um seine Zukunft zu verstehen. Diese Studie bietet eine Erklärung für das Absinken von Kohlenstoff ins Erdinnere. “Die Stabilitätsregionen von Carbonaten sind der Schlüssel zum Verständnis des tiefen Kohlenstoffzyklus und der Rolle der tiefen Erde im globalen Kohlenstoffkreislauf”, sagt Leonid Dubrovinsky von der Universität Bayreuth.
“Die intensiven Röntgenstrahlen aus dem ESRF erlauben uns, auf die extremen Bedingungen im gesamten Erdmantel zuzugreifen”, unterstreicht Valerio Cerantola, Erstautor, ehemaliger Doktorand an der Universität Bayreuth und nun Postdoktorand am ESRF.
Im letzten Jahrhundert hat die rasche Zunahme des CO2 in der Atmosphäre zusammen mit dem beobachteten Klimawandel zunehmend die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf den Kohlenstoffkreislauf und seine Entwicklung auf der Erdoberfläche gelenkt. Der Kohlenstoffzyklus erstreckt sich aber auch unterhalb der Erdoberfläche: Den jüngsten Schätzungen zufolge befinden sich bis zu 90% des CO2-Vorkommens der Erde im Erdmantel und im Kern. Aufgrund der Dynamik der Plattentektonik der Konvektion und der Subduktion gibt es ein konstantes Recycling von Kohlenstoff zwischen der Erdoberfläche und dem Erdinneren.
In der vorliegenden Studie konzentrierte sich das Forschungsteam auf Carbonatphasen, die eines der wichtigsten kohlenstoffhaltigen Mineralien des tiefen Mantels sind. Carbonate sind eine Gruppe von Mineralien, die das Carbonat-Ion (CO32-) und ein Metall wie Eisen oder Magnesium enthalten. Die Wissenschaftler untersuchten das Verhalten eines reinen Eisencarbonats, FeCO3 (Siderit), bei extremen Temperatur- und Druckbedingungen, die im gesamten Erdmantel vorherrschen, also Temperaturen über 2500 K (2.300 Grad) und Drücken von 100 GPa, was in etwa einer Million Mal dem atmosphärischen Druck entspricht.
“Dieses Eisencarbonat ist wegen seiner Stabilität bei niedrigeren Mantelbedingungen aufgrund des Spinübergangs von besonderem Interesse. Darüber hinaus unterscheidet sich die Kristallchemie der Hochdruckcarbonate dramatisch von der bei Umgebungsbedingungen”, erklärt Elena Bykova von der Universität Bayreuth.
Um die Stabilität von FeCO3 zu untersuchen, führte das Forschungsteam bei drei ESRF-Strahllinien Hochdruck- und Hochtemperatur-Experimente durch: ID27, ID18 und ID09a (jetzt ID15b). “Die Kombination der vielfältigen Techniken lieferte uns einzigartige Datensätze, die uns letztlich erlaubten, neue C-Träger in der tiefen Erde aufzudecken und den Mechanismus hinter ihrer Entstehung zu zeigen”, sagt Cerantola. Ein experimenteller Lauf wurde bei der Strahllinie 13 ID-D bei APS durchgeführt.
Abbildung 1: Kristallstrukturen von Hochdruckcarbonaten. (A) Tetrairon (III) -orthocarbonat Fe4C3O12und (b) Diiron (II) -dis (III) -tetracarbonat Fe4C4O13 bei Umgebungstemperatur und 74 (1) bzw. 97 (2) GPa. In (a) bilden drei FeO8-Bicapped-Prismen (hellgrün) und drei CO4-Tetraeder (braun) einen Ring mit 3-facher Symmetrie durch Ecken- und Kantenaufteilung. Die Ringe bilden Schichten, die entlang der c-Achse gestapelt sind. FeO6-Prismen (dunkelgrün) sind durch dreieckige Basen verbunden und befinden sich in den Kanälen, die durch die Ringe erzeugt werden. In (b) werden FeO8-Bi-Capped-Prismen (blau) in einem 3-D-Gerüst durch Dimere von randgeteilten FeO7-monokappierten Prismen (hellgrün) und zickzackförmigenC4O1310−-Ketten (braun) verbunden. (Bild: ESRF)
Beim Erhitzen von FeCO3 auf Erdgeothermietemperaturen bei Drücken bis zu etwa 50 GPa, dissoziierte FeCO3 teilweise und es bildeten sich verschiedene Eisenoxide. Bei höheren Drücken über ~ 75 GPa entdeckten die Wissenschaftler zwei neue Verbindungen – Tetrairon (III) -orthocarbonat, Fe43+C3O12 und Diiron (II) diiron (III) tetracarbonat, Fe22+Fe23+C4O13 (Abbildung 1).
“Es gab einige theoretische Vorhersagen, aber bisher waren experimentelle Informationen über Strukturen von Hochdruck-Carbonaten zu begrenzt (und sogar zu umstritten), um über die Carbonat-Kristallchemie zu spekulieren. Unsere Daten zeigen, dass, während die Kristallstruktur von Fe22+Fe23+C4O13 gefunden werden konnte, in der Natur jedoch in Silikaten keine Analogien von Fe43+C3O12 gefunden werden konnte”, unterstreicht Bykova.
Die Forscher haben zudem herausgefunden, dass eine Phase, das Tetracarbonat Fe43+C3O12, eine noch nie da gewesene strukturelle Stabilität aufweist und seine Struktur auch bei Drücken bis zu einer Tiefe von mindestens 2500 km beibehält. Diese Drücke kommen nur nahe an der Grenze, die zwischen dem Mantel und dem Kern liegt, vor. Es zeigte sich also, dass Selbst-Oxidations-Reduktions-Reaktionen Carbonate im unteren Mantel der Erde bewahren können (Abbildung 1, a und b).
“Die Studie zeigt die Bedeutung von Redoxreaktionen im tiefen Kohlenstoffkreislauf, die unweigerlich mit anderen flüchtigen Zyklen wie Sauerstoff verbunden sind”, unterstreicht Catherine McCammon von der Universität Bayreuth.
Veröffentlichung:
V. Cerantola (a), E. Bykova (b,c), I. Kupenko (a,i) , M. Merlini (d): Stability of iron-bearing carbonates in the deep Earth’s interior, Nature Communications vol, page (2017); doi: 10.1038/NCOMMS15960 https://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS15960
Quelle: off. Pn des ESRF
Pia Gaupels
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