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News: Erkenntnisse über Eisenverteilung und Sauerstoffgehalt im Erdmantel

Mithilfe von Hochdruckexperimenten konnten Forscher des Bayerischen Geoinstituts der Universität Bayreuth zeigen, dass der untere Erdmantel (670-2900 Kilometer Erdtiefe) aufgrund bestimmter Eigenschaften seiner Minerale weitaus mehr dreiwertiges als zweiwertiges Eisen enthält. Zu einem derart hohen Anteil an Fe2O3 kann es jedoch nur kommen, wenn sich FeO, das etwa 97 Prozent des Eisengesamtgehalts in Erdmantelgesteinen ausmacht, zu Fe2O3 plus Eisen-Metall umwandelt. In den Bayreuther Experimenten konnte diese Reaktion nun tatsächlich nachgewiesen werden. Berechnungen haben ergeben, dass der untere Erdmantel zusätzlich zu seinen bekannten Mineralen etwa ein Prozent Eisen in Metallform enthalten muss.

Der eisenreiche metallische Erdkern wird von dem silikatischen Erdmantel umgeben. Eisen ist nicht nur der wichtigste Bestandteil des Erdkerns, sondern ist auch in großen Mengen in den silikatischen Erdmantelgesteinen vorhanden, allerdings normalerweise nicht als metallisches Eisen. Stattdessen kann es in verschiedenen Oxidationszuständen in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt entweder als FeO (zweiwertiges Fe) oder als Fe2O3 (dreiwertiges Fe) in Mineralen des Erdmantels eingebaut sein. Bei niedrigem Sauerstoffgehalt – also unter reduzierenden Bedingungen – liegt ein größerer Anteil an FeO vor als bei oxidierenden Bedingungen beziehungsweise einem hohem Sauerstoffgehalt. Der hohe FeO-Gehalt natürlicher Proben hatte auf sehr reduzierende Bedingungen innerhalb der Erde schließen lassen.

Aus der Existenz dieses metallischen Eisens im unteren Erdmantel haben die Forscher nunmehr ein Modell entwickelt, mit dem sich der allgemeine Oxidationszustand des Mantels erklären lässt. Vulkanismus und Erdbeben an der Erdoberfläche sind ein wichtiger Beleg für Konvektion beziehungsweise Materialtransport in unserem Planeten. Es kann daher angenommen werden, dass ein Teil des metallischen Eisens aus dem unteren Mantel in der frühen Erdgeschichte vom Erdkern aufgenommen wurde, was jedoch zu einer relativen Erhöhung des Sauerstoffgehalt im Mantel führte. Über geologische Zeiträume könnte somit das Erdinnere den Sauerstoffgehalt auf der Erdoberfläche und der Atmosphäre beinflusst und möglicherweise beständig erhöht haben. Eine wichtige Konsequenz aus dieser Theorie ist somit, dass einer der wichtigsten Parameter zur Entstehung des Lebens auf der Erde – der Sauerstoffgehalt – mit der Existenz metallischen Eisens im Erdmantel zusammenhängt und davon womöglich gefördert wurde.

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  • Quellen
Nature 428: 409 – 412 (2004)

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