Diamanten und Rost an der Kern-Mantel-Grenze der Erde

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Stahl rostet durch Wasser und Luft an der Erdoberfläche. Aber wie sieht es tief im Erdinneren aus?

Der Erdkern ist der größte Kohlenstoffspeicher der Erde – etwa 90 % sind dort gebunden. Wissenschaftler haben gezeigt, dass die ozeanische Kruste, die auf tektonischen Platten lastet und durch Subduktion in das Erdinnere absinkt, wasserhaltige Mineralien enthält und manchmal bis zur Kern-Mantel-Grenze abtauchen kann. Die Temperatur an der Kern-Mantel-Grenze ist mindestens doppelt so hoch wie bei Lava und hoch genug, dass Wasser aus den wasserhaltigen Mineralien freigesetzt werden kann. Daher könnte an der Kern-Mantel-Grenze der Erde eine chemische Reaktion stattfinden, die dem Rosten von Stahl ähnelt.

Byeongkwan Ko – ein Doktorand der Arizona State University – und seine Mitarbeiter veröffentlichten ihre Erkenntnisse über die Kern-Mantel-Grenze in der Zeitschrift Geophysical Research Letters. Sie führten Experimente an der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory durch, bei denen sie eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung und Wasser auf den Druck und die Temperatur komprimierten, die an der Kern-Mantel-Grenze der Erde erwartet werden, wodurch die Eisen-Kohlenstoff-Legierung schmolz.

Die Forscher fanden heraus, dass Wasser und Metall miteinander reagieren und Eisenoxide und Eisenhydroxide bilden, genau wie es beim Rosten an der Erdoberfläche geschieht. Sie fanden jedoch heraus, dass sich unter den Bedingungen der Kern-Mantel-Grenze Kohlenstoff aus der flüssigen Eisen-Metall-Legierung löst und Diamanten bildet.

“Die Temperatur an der Grenze zwischen dem silikatischen Mantel und dem metallischen Kern in 3.000 km Tiefe erreicht etwa 7.000 Grad Celsius, was für die meisten Minerale ausreichend hoch ist, um das in ihren atomaren Strukturen gebundene H2O zu verlieren”, sagt Dan Shim, Professor an der School of Earth and Space Exploration der ASU. “Die Temperatur ist sogar so hoch, dass einige Minerale unter solchen Bedingungen schmelzen dürften.”

Da Kohlenstoff ein eisenliebendes Element ist, erwartet man, dass im Kern viel Kohlenstoff vorhanden ist, während der Erdmantel relativ wenig Kohlenstoff enthält. Die Wissenschaftler haben jedoch festgestellt, dass im Erdmantel viel mehr Kohlenstoff vorhanden ist, als man erwartet hatte.


Exkurs: Die Diamant-Stempel-Zelle

Diamantstempel-Zellediamond anvil cell, ein Gerät, das in der experimentellen Petrologie eingesetzt wird, wenn es um die Erzeugung sehr hoher Drücke von bis zu 400 GPa bei Temperaturen von mehreren Tausend Grad geht (d.h. Bedingungen, wie sie im Erdkern herrschen). Das Gerät (Abb.) besteht aus zwei präzise geschliffenen Diamanten, deren untere, zueinander parallele Flächen nur einen Durchmesser von einem zehntel Millimeter haben. Durch Zusammenpressen der Diamanten wird eine dazwischen befindliche, durch Dichtungsringe seitlich fixierte Probe auf die gewünschten Drücke gebracht. Die hohen Temperaturen werden entweder durch einen extern befindlichen Heizdraht oder durch Laserlicht, das durch die Diamantzelle geschickt wird, erzeugt. Da Diamanten auch für Röntgenstrahlung mit Energien von mehr als 10 keV durchlässig sind, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten für In-situ-Untersuchungen in Diamantstempel-Zellen. (Quelle: Spektrum, Lexikon der Geowissenschaften)

Schema der Diamantstempelzelle

“Bei den für die Kern-Mantel-Grenze der Erde erwarteten Druckverhältnissen scheint die Legierung von Wasserstoff mit flüssigem Eisenmetall die Löslichkeit anderer leichter Elemente im Kern zu verringern”, so Shim. “Daher nimmt die Löslichkeit von Kohlenstoff, der wahrscheinlich im Erdkern vorhanden ist, dort ab, wo Wasserstoff aus dem Erdmantel in den Kern gelangt (durch Dehydrierung). Die stabile Form des Kohlenstoffs unter den Druck-Temperatur-Bedingungen an der Erdkern-Mantel-Grenze ist Diamant. Der aus dem flüssigen äußeren Kern entweichende Kohlenstoff würde also zu Diamant werden, wenn er in den Erdmantel gelangt.

“Kohlenstoff ist ein essentielles Element für das Leben und spielt eine wichtige Rolle bei vielen geologischen Prozessen”, so Ko. “Die neue Entdeckung eines Mechanismus zur Übertragung von Kohlenstoff aus dem Kern in den Erdmantel wird das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs im tiefen Erdinneren verbessern. Dies ist umso aufregender, als die Diamantenbildung an der Kern-Mantel-Grenze möglicherweise schon seit Milliarden von Jahren, seit dem Beginn der Subduktion auf dem Planeten, stattfindet.”

Ko’s neue Studie zeigt, dass der Kohlenstoff, der durch diesen Prozess der Diamantbildung aus dem Kern in den Mantel entweicht, genügend Kohlenstoff liefern könnte, um die erhöhten Kohlenstoffmengen im Mantel zu erklären. Ko und seine Mitarbeiter sagten auch voraus, dass es an der Kern-Mantel-Grenze diamantreiche Strukturen geben kann und dass seismische Untersuchungen diese Strukturen aufspüren könnten, da sich seismische Wellen für diese Strukturen ungewöhnlich schnell bewegen sollten.

“Der Grund, warum sich seismische Wellen außergewöhnlich schnell durch diamantreiche Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze ausbreiten sollten, ist, dass Diamanten extrem inkompressibel und weniger dicht sind, als andere Materialien an der Kern-Mantel-Grenze”, so Shim.

Ko und sein Team werden weiter untersuchen, wie die Reaktion auch die Konzentration anderer leichter Elemente im Kern, wie Silizium, Schwefel und Sauerstoff, verändern kann und wie sich solche Veränderungen auf die Mineralogie des tiefen Mantels auswirken können.


Veröffentlichung: Byeongkwan Ko et al, Water‐Induced Diamond Formation at Earth’s Core‐Mantle Boundary, Geophysical Research Letters (2022).  DOI: 10.1029/2022GL098271

Quelle: off. Pm der Arizona State University

Titelbildunterschrift: Die Eisen-Kohlenstoff-Legierung reagierte in einer Diamantstempelzelle mit Wasser unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen, wie sie im tiefen Erdmantel herrschen. (Bildnachweis: Arizona State University)


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie besitzt ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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