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ETH Zuerich: Wie rostig ist die Erde?

erstellt von redaktion zuletzt verändert: 17.11.2016 13:35 — abgelaufen

Ohne Sauerstoff kann der Mensch nicht leben. Wie die Erde zu ihrer sauerstoffreichen aeusseren Huelle kam und wie sich der Gehalt an diesem Gas in der Tiefe der Erde veraendert, ist jedoch unklar. Forschungsresultate der ETH oeffnen nun einen neuen Weg, wie dies erforscht werden kann. Dazu wird das Verhaeltnis zwischen den verschiedenen Isotopen des Eisens benutzt. In der neusten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science zeigen die Forschenden, dass dieses sich mit dem Sauerstoffgehalt in Mantelgesteinen aendert.

Eisen beginnt an der Luft schnell zu rosten. Deswegen wird es mit anderen Elementen veredelt oder auch mit Farbe beschichtet. Der Rost entsteht, wenn Eisen mit Sauerstoff reagiert und Eisenoxid bildet. Aus demselben Grund existiert in der Erdkruste auch kein metallisches Eisen. Dieses ist in Gegenwart von Sauerstoff und Wasser zu instabil, um geologische Zeitraeume zu ueberstehen. Fuer die Eisenproduktion wird deshalb Eisenoxid verwendet. Dieses ist in grossen Mengen vorhanden.

Metallischer Kern gibt Raetsel auf

Sauerstoff und Wasser sind eine Voraussetzung fuer die Entwicklung von Leben auf der Erde. Die sauerstoffreiche Huelle der Erde wirft aber auch Fragen zur Evolution des Erdinnern auf. Es wird angenommen, dass fluessiges Eisen sich aufgrund seiner hoeheren Dichte waehrend der Entstehung der Erde im Kern sammelte. Ein metallischer Kern, in dem das Magnetfeld der Erde entsteht, haette nicht geformt werden koennen, wenn viel Sauerstoff vorhanden gewesen waere. Dieser waere mit dem Eisenmetall zu Eisenoxid reagiert. Die Frage ist nun, wie sich die oxidierte Gesteinshuelle der Erde und ein Kern bilden konnten.

Sauerstoff aus Photosynthese?

Vor einigen Jahren wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Erde anfaenglich eine Atmosphaere aufwies, die hauptsaechlich aus Wasserstoff und Methan bestand. Unter diesen Bedingungen konnte sich der Kern bilden. Der heute vorhandene Sauerstoff ist dann - so die Hypothese - spaeter generiert worden, beispielsweise durch Photosynthese in Pflanzen. Die Zunahme im Sauerstoffgehalt ist sozusagen ein Nebenprodukt der biologischen Evolution ueber Jahrmilliarden, wobei aber dieser Sauerstoff letztlich aus dem Mantel bezogen wurde. Diese Hypothese hat somit einen Haken. Die Tatsache, dass die lebende Welt am Sauerstoffkreislauf beteiligt ist, kann nicht erklaeren, warum die Erde einen metallischen Kern hat, waehrend der Erdmantel oxidiert ist.

Oxidierte Schicht kam erst nach Kernbildung dazu

Eine plausible Erklaerung ist, dass der aeussere Teil der Erde deswegen oxidiert ist, weil die Erde nach der Bildung des Kerns noch eine aeussere Schicht aus oxidiertem Material akkumuliert hat. Das Wasser auf der Erde koennte auf aehnliche Art und Weise entstanden sein. Dies wuerde bedingen, dass der Gehalt an Sauerstoff mit der Tiefe variiert. Tatsaechlich ist wenig bekannt ueber die Zusammensetzung und die Eigenschaften des Erdmantels in grosser Tiefe. Eine Moeglichkeit ist, dass der Oxidationszustand von Eisen im Erdmantel nicht gleichmaessig ist. Bereiche, wo Ozeanwasser zurueck in den Erdmantel gebracht wird, koennten einen erhoehten Oxidationszustand aufweisen. Dies geschieht in den Subduktionszonen, in denen die Erdkruste in die Tiefe gezogen wird.

Neue Methode misst Oxidation in der Tiefe

Um herauszufinden, wie der Sauerstoff mit der Tiefe variiert, benoetigt man geeignete Messmethoden fuer Gesteine und Mineralien. Hierfuer setzt die Geologin Helena Williams und weitere Forschende an der ETH Zuerich in Zusammenarbeit mit Houston und Bayreuth eine neue Technik ein, die so genannte "multiple collector inductively coupled plasma mass spectrometry" (MC-ICPMS). Die Forschenden messen damit Variationen in den Verhaeltnissen von Eisenisotopen und koennen nun zeigen, dass in Mantelgesteinen diese Verhaeltnisse mit dem Oxidationszustand von Eisen variieren. Anhand von Untersuchungen an Gesteinen aus verschiedenen Tiefen und Zeitaltern laesst sich nun eruieren, wie sich der Oxidationsgrad im Erdmantel ueber die Zeit veraendert hat. Zukuenftige Untersuchungen mit dieser Messmethode werden helfen zu verstehen, wie der metallische Kern unseres Planeten entstand, und koennten womoeglich Hinweise auf den Ursprung des Lebens auf der Erde geben.

Weitere Informationen:

Dr. Helen M. Williams
Departement Erdwissenschaften
Telefon +41 (0)1-632 59 83

Prof. Alexander N. Halliday
Departement Erdwissenschaften
Telefon +41 (0)1-632 75 25