Ohne Sauerstoff kann der Mensch nicht leben. Wie die Erde zu ihrer sauerstoffreichen äusseren Hülle kam und wie sich der Gehalt an diesem Gas in der Tiefe der Erde verändert, ist jedoch unklar. Forschungsresultate der ETH öffnen nun einen neuen Weg, wie dies erforscht werden kann. Dazu wird das Verhältnis 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 ändert.
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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 Zeiträume zu überstehen. Für die Eisenproduktion wird deshalb Eisenoxid verwendet. Dieses ist in grossen Mengen vorhanden.
Metallischer Kern gibt Rätsel auf
Sauerstoff und Wasser sind eine Voraussetzung für die Entwicklung von Leben auf der Erde. Die sauerstoffreiche Hülle der Erde wirft aber auch Fragen zur Evolution des Erdinnern auf. Es wird angenommen, dass flüssiges Eisen sich aufgrund seiner höheren Dichte während der Entstehung der Erde im Kern sammelte. Ein metallischer Kern, in dem das Magnetfeld der Erde entsteht, hätte nicht geformt werden können, wenn viel Sauerstoff vorhanden gewesen wäre. Dieser wäre mit dem Eisenmetall zu Eisenoxid reagiert. Die Frage ist nun, wie sich die oxidierte Gesteinshülle der Erde und ein Kern bilden konnten.
Sauerstoff aus Photosynthese?
Vor einigen Jahren wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Erde anfänglich eine Atmosphäre aufwies, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Methan bestand. Unter diesen Bedingungen konnte sich der Kern bilden. Der heute vorhandene Sauerstoff ist dann – so die Hypothese – später generiert worden, beispielsweise durch Photosynthese in Pflanzen. Die Zunahme im Sauerstoffgehalt ist sozusagen ein Nebenprodukt der biologischen Evolution über 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 erklären, warum die Erde einen metallischen Kern hat, während der Erdmantel oxidiert ist.
Oxidierte Schicht kam erst nach Kernbildung dazu
Eine plausible Erklärung ist, dass der äussere Teil der Erde deswegen oxidiert ist, weil die Erde nach der Bildung des Kerns noch eine äussere Schicht aus oxidiertem Material akkumuliert hat. Das Wasser auf der Erde könnte auf ähnliche Art und Weise entstanden sein. Dies würde bedingen, dass der Gehalt an Sauerstoff mit der Tiefe variiert. Tatsächlich ist wenig bekannt über die Zusammensetzung und die Eigenschaften des Erdmantels in grosser Tiefe. Eine Möglichkeit ist, dass der Oxidationszustand von Eisen im Erdmantel nicht gleichmässig ist. Bereiche, wo Ozeanwasser zurück in den Erdmantel gebracht wird, könnten einen erhöhten 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, benötigt man geeignete Messmethoden für Gesteine und Mineralien. Hierfür setzt die Geologin Helena Williams und weitere Forschende an der ETH Zürich 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 Verhältnissen von Eisenisotopen und können nun zeigen, dass in Mantelgesteinen diese Verhältnisse mit dem Oxidationszustand von Eisen variieren. Anhand von Untersuchungen an Gesteinen aus verschiedenen Tiefen und Zeitaltern lässt sich nun eruieren, wie sich der Oxidationsgrad im Erdmantel über die Zeit verändert hat. Zukünftige Untersuchungen mit dieser Messmethode werden helfen zu verstehen, wie der metallische Kern unseres Planeten entstand, und könnten womöglich Hinweise auf den Ursprung des Lebens auf der Erde geben.
(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, 11.06.2004 – NPO)
