Elemente unter Hochdruck

News: Elemente unter Hochdruck

Chemische Elemente mit der Tendenz, sich in metallischen Eisen zu lösen (siderophile Elemente), sollten im Silikat-Gestein des Erdmantels relativ selten und im Eisenkern der Erde stark angereichert sein. Das Vorkommen an siderophilen Elementen im Erdmantel ist jedoch wesentlich höher, als es ihre typische Eigenschaft erwarten lassen sollte. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie haben diese Elemente unter extrem hohen Drücken untersucht, um dem Rätsel auf die Spur zu kommen. Anscheinend geht der siderophile Charakter bei den extremen Bedingungen im Erdinnern verloren.

Die Hochdruck-Mineralphysik-Gruppe des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz berichtet in Nature vom 15. April 1999 von ihren Untersuchungen an den siderophilen Elementen Nickel (Ni) und Cobalt (Co). Mit wesentlich höheren Drucken als bei allen vorherigen Studien konnten die Wissenschaftler die ersten quantitativen Experimente zu chemischen Austauschprozessen mit einer Diamant-Stempel-Apparatur und mit kontrollierten Druck- und Temperaturbedingen ausführen. Dabei vergrößert die Studie den Druckbereich kontrollierter chemischer Experimente um das Dreifache.

Als Ergebnis erhielten die Forscher unerwartet hohe Druckeffekte auf die chemischen Eigenschaften der Übergangselemente Nickel und Cobalt und liefern damit einen wichtigen Beitrag zur Lösung der Anomalie der siderophilen Elemente. Bislang erbrachten Experimente mit niedrigeren Drücken Ergebnisse, die einem höheren Vorkommen siderophiler Elemente im Erdmantel widersprachen. Bei dem nun erzielten Druck von 80 Gigapascal – das entspricht dem 106fachen des atmosphärischen Drucks – und einer Temperatur von 2100 Kelvin verloren Nickel und Cobalt ihren siderophilen Charakter fast vollständig. Vermutlich können chemische Differentiationsprozesse bei der Bildung des Erdkerns die bisherige Diskrepanz erklären. Siderophile Elemente könnten somit ein Schlüsse zum Verständnis dieser Prozesse sein, die zu einem chemischen Austausch zwischen Erdkern und Erdmantel geführt haben.

Bisherige Theorien erklärten die Verteilung der siderophilen Elemente durch Hinzufügung oxidierenden "primitiven" Meteoritenmaterials zum Mantel kurz nachdem die Kernbildung fast beendet war (heterogene Akkretions-Hypothese), oder durch eine Änderung der Partitionierung der siderophilen Elemente zwischen Eisen und Silikat in Abhängigkeit von Druck und Temperatur auf eine solche Weise, daß die Nickel- und Cobalt-Anteile des oberen Mantels mit dem Kern-Mantel-Gleichgewicht ausgeglichen wurden (homogene Akkretions-Hypothese).

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