Die Erde hat möglicherweise ihre innersten Geheimnisse einem Paar kalifornischer Geochemiker preisgegeben, die umfangreiche Computersimulationen verwendet haben, um die früheste Geschichte des Kerns unseres Planeten zusammenzusetzen.
Dieses Schema der Erdkruste und des Erdmantels zeigt die Ergebnisse ihrer Studie, die ergab, dass extreme Drücke die schwereren Isotope des Eisens nahe dem Boden des Erdmantels konzentriert hätten, während es aus einem Ozean aus Magma kristallisierte.
World Book Illustration von Raymond Perlman und Steven Brayfield, Artisan-Chicago
Durch die Verwendung eines Supercomputers, um eisenhaltige Mineralien unter Bedingungen virtuell zu pressen und zu erhitzen, die bestanden hätten, als die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren aus einem Ozean aus Magma in ihre feste Form kristallisierte, konnten die beiden Wissenschaftler – von der University of California in Davis — lieferten das erste Bild von der anfänglichen Verteilung verschiedener Eisenisotope in der festen Erde.
Die Entdeckung könnte eine Welle von Untersuchungen zur Entwicklung des Erdmantels einleiten, einer etwa 1.800 Meilen tiefen Materialschicht, die sich von knapp unter der dünnen Kruste des Planeten bis zu seinem metallischen Kern erstreckt.
„Nun, da wir eine Vorstellung davon haben, wie diese Eisenisotope ursprünglich auf der Erde verteilt wurden“, sagte der leitende Studienautor James Rustad, „sollten wir in der Lage sein, die Isotope zu verwenden, um das Innenleben des Erdmotors zu verfolgen.“
Ein Papier, das die Studie von Rustad und Co-Autor Qing-zhu Yin beschreibt, wurde von der Zeitschrift online gestelltNatur Geowissenschaftenam Sonntag, 14. Juni, vor der Druckveröffentlichung im Juli.
Eingebettet zwischen Erdkruste und Kern macht der riesige Mantel etwa 85 Prozent des Volumens des Planeten aus. Auf einer menschlichen Zeitskala scheint dieser immense Teil unserer Kugel fest zu sein. Aber über Millionen von Jahren lässt die Hitze des geschmolzenen Kerns und der eigene radioaktive Zerfall des Mantels ihn langsam aufwirbeln, wie eine dicke Suppe auf kleiner Flamme. Diese Zirkulation ist die treibende Kraft hinter der Oberflächenbewegung der tektonischen Platten, die Berge bildet und Erdbeben verursacht.
Eine Informationsquelle, die Einblicke in die Physik dieser viskosen Masse gibt, sind die vier stabilen Formen oder Isotope von Eisen, die in Gesteinen gefunden werden können, die an mittelozeanischen Rücken, wo eine Ausbreitung des Meeresbodens stattfindet, und an Hotspots zur Erdoberfläche aufgestiegen sind wie Hawaiis Vulkane, die durch die Erdkruste ragen. Geologen vermuten, dass ein Teil dieses Materials an der Grenze zwischen dem Mantel und dem Kern etwa 1.800 Meilen unter der Oberfläche entsteht.
„Geologen verwenden Isotope, um physikalisch-chemische Prozesse in der Natur zu verfolgen, so wie Biologen DNA verwenden, um die Evolution des Lebens zu verfolgen“, sagte Yin.
Da die Zusammensetzung von Eisenisotopen in Gesteinen abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen, unter denen ein Gestein entstanden ist, variieren kann, könnten Geologen grundsätzlich Eisenisotope in Gesteinen verwenden, die an Hotspots auf der ganzen Welt gesammelt wurden, um die geologische Geschichte des Mantels zu verfolgen . Dazu müssten sie aber zunächst wissen, wie die Isotope ursprünglich im urzeitlichen Magmaozean der Erde beim Abkühlen und Aushärten verteilt waren.
Yin und Rustad untersuchten, wie sich die konkurrierenden Auswirkungen von extremem Druck und extremer Temperatur tief im Erdinneren auf die Mineralien im unteren Erdmantel ausgewirkt hätten, der Zone, die sich von etwa 400 Meilen unter der Erdkruste bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt. Temperaturen von bis zu 4.500 Grad Kelvin in der Region reduzieren die Isotopenunterschiede zwischen Mineralien auf ein winziges Niveau, während Druckdrücke dazu neigen, die Grundform des Eisenatoms selbst zu verändern, ein Phänomen, das als elektronischer Spinübergang bekannt ist.
Das Paar berechnete die Eisenisotopenzusammensetzung zweier Minerale unter einer Reihe von Temperaturen, Drücken und verschiedenen elektronischen Spinzuständen, von denen heute bekannt ist, dass sie im unteren Erdmantel vorkommen. Die beiden Minerale Ferroperowskit und Ferroperiklas enthalten praktisch das gesamte Eisen, das in diesem tiefen Teil der Erde vorkommt.
Die Berechnungen waren so komplex, dass jede Serie, die Rustad und Yin durch den Computer liefen, einen Monat in Anspruch nahm.
Yin und Rustad stellten fest, dass extreme Drücke die schwereren Isotope des Eisens in der Nähe des Bodens des kristallisierenden Mantels konzentriert hätten.
Die Forscher planen, die Variation von Eisenisotopen in reinen Chemikalien zu dokumentieren, die im Labor Temperaturen und Drücken ausgesetzt sind, die denen an der Kern-Mantel-Grenze entsprechen. Schließlich, sagte Yin, hoffen sie, ihre theoretischen Vorhersagen in geologischen Proben aus dem unteren Erdmantel bestätigt zu sehen.
Quelle: Eurekalert