Ein Team von experimentellen Geowissenschaftlern der University of Bristol hat für eine Studie neueste Hochdruck- und Temperaturtechnikverfahren genutzt, um die Manteleigenschaften präzise nachzustellen. Ihre Ergebnisse, die jetzt open access in der Zeitschrift Earth and Planetary Science Letters veröffentlicht wurden, geben Aufschluss darüber, was mit Karbonatmineralen passiert, wenn sie über die Subduktion der ozeanischen Kruste (wo eine der tektonischen Platten der Erde unter eine andere gleitet) in den Mantel transportiert werden.
Das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs liefert Wissenschaftlern wichtige Hinweise auf die Bewohnbarkeit des Planeten. Das ist der Grund, warum die Erde ein mildes, stabiles Klima und eine kohlendioxidarme Atmosphäre hat, verglichen mit beispielsweise der Venus, die sich in einem unkontrollierten Treibhauseffekt mit hohen Oberflächentemperaturen und einer dicken Kohlendioxidatmosphäre befindet. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Erde und Venus ist die Existenz einer aktiven Plattentektonik auf der Erde, die unsere Umwelt in unserem Sonnensystem einzigartig macht.
Aber die Atmosphäre, die Ozeane und die Erdkruste sind nur ein Teil der Geschichte. Der Mantel, der 75% des Erdvolumens ausmacht, enthält potenziell mehr Kohlenstoff als alle anderen Speicher zusammen.
Kohlenstoff – einer der wesentlichen Bausteine des organischen Lebens – wird durch Subduktion in das Erdinnere transportiert, wo er den Schmelzpunkt des festen Mantels drastisch senkt und im oberflächennahen Mantel mit kohlenstoffreichen geschmolzenen Gesteinen karbonisierte Schmelzen bildet, die Vulkane an der Oberfläche antreiben. Karbonatmineralien können auch viel tiefer in die Erde transportiert werden und den unteren Mantel erreichen, aber was danach passiert, ist ungewiss.
Die Beantwortung dieser Frage ist mit Herausforderungen verbunden. Die Bedingungen tief in der Erde sind extrem und Proben aus dem Mantel sind selten. Die Lösung besteht darin, diese Bedingungen im Labor mit Hilfe modernster Technologien nachzubilden.
Die Ergebnisse der Forscher der University of Bristol haben eine Barriere für die Subduktion von Carbonat über eine Tiefe von etwa 1.000 km hinaus aufgedeckt, wo es mit Siliziumdioxid in der ozeanischen Kruste reagiert und Diamanten bildet, die in der tiefen Erde über geologische Zeiträume gespeichert werden.
Dr. James Drewitt von der School of Earth Sciences erklärt: “Bleiben Karbonatminerale durch den unteren Erdmantel stabil, und wenn nicht, welche Druck-/Temperaturänderungen braucht es, um Reaktionen zwischen den Mineralien auszulösen und wie sehen diese aus? Das sind die Fragen, auf die wir die Antworten finden wollten – und der einzige Weg, diese Antworten zu erhalten, war, die Bedingungen des Erdinneren zu rekonstruieren.”
Dr. Drewitt und sein Team unterwarfen synthetische Carbonatgesteine sehr hohen Drücken und Temperaturen, die mit den Bedingungen in der tiefen Erde vergleichbar sind, von bis zu 90 GPa (etwa 900.000 Atmosphären) und 2000 Grad C unter Verwendung einer laserbeheizten Diamantambosszelle. Sie fanden heraus, dass Karbonat bis in Tiefen von 1.000-1.300 km, also fast auf halbem Weg zum Kern, stabil bleibt.
Unter diesen Bedingungen reagiert Karbonat dann mit der umgebenden Kieselsäure zu einem Mineral, das als Bridgmanit bekannt ist und den größten Teil des Erdmantels bildet. Der bei dieser Reaktion freigesetzte Kohlenstoff liegt in Form von festem Kohlendioxid vor. Während der heiße Umgebungsmantel die subduzierte Platte schließlich erwärmt, zerfällt dieses feste Kohlendioxid zu supertiefen Diamanten.
Dr. Drewitt fügt hinzu: “Schließlich könnten die supertiefen Diamanten in aufsteigenden Mantelplumes an die Oberfläche zurückgebracht werden. Dieser Prozess könnte eine der Quellen für supertiefe Diamanten darstellen, die wir an der Oberfläche finden und die den einzigen direkten Beweis für die Zusammensetzung der tiefen Erde liefern, den wir haben.
“Das ist spannend, denn der tiefste Punkt, der durch Bohrungen erreicht wurde, ist etwa 12 km, weniger als die Hälfte der Tiefe der Erdkruste. Das verblasst im Vergleich zu dem massiven Umfang des Erdmantels, der sich bis in fast 3.000 km Tiefe erstreckt.”
Das Team benutzte eine Diamant-Ambosszelle, um Drücke zu erzeugen, die denen in diesen Tiefen entsprechen, und lud Proben unter einem Mikroskop in eine Druckkammer ein, die aus einer Metalldichtung gebohrt wurde, die dann zwischen den Diamantambossen mit Brillantschliff in Edelsteinqualität komprimiert wird. Die Kristallstruktur dieser Proben wurde dann in der britischen Synchrotronanlage in Oxfordshire mittels Röntgenbeugung analysiert.
Dr. Drewitt plant nun, diese Hochdruck- und Hochtemperatur-Experimente zusammen mit fortschrittlichen Computersimulationstechniken auf andere Mineralien und Materialien anzuwenden: “Neben Kohlenstoff wird möglicherweise auch Wasser in einer Größenordnung von mehreren Ozeanen tief in den Mantel transportiert. Wenn es freigesetzt werden würde, würde dies das Schmelzen des oberen und unteren Erdmantels induzieren.
“Wir können jedoch aktuelle Modelle des dynamischen Verhaltens dieses wasserreichen geschmolzenen Gesteins nicht ausreichend testen oder verstehen, da wir ihre Zusammensetzung oder ihre physikalischen Eigenschaften nicht kennen. Die Experimente unter extremen Bedingungen und fortgeschrittene Computersimulationen, an denen wir derzeit arbeiten, werden dazu beitragen, diese Probleme zu lösen.”
Veröffentlichung: James W.E. Drewitt et al. The fate of carbonate in oceanic crust subducted into earth’s lower mantle, Earth and Planetary Science Letters (2019). DOI: 10.1016/j.epsl.2019.01.041
Quelle: off. Pm der University of Bristol
Titelbildunterschrift: Zwei gegenüberliegende Diamantambosse in einer Diamantambosszellen. (Bildnachweis: University of Bristol)
Pia Gaupels
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