Neue Erkenntnisse über Eisenverteilung und Sauerstoffgehalt im Erdmantel

Forscher des Bayerischen Geoinstituts der Uni Bayreuth haben ein Modell entwickelt, mit dem sich der allgemeine Oxidationszustand des Erdmantels erklären läßt, worüber in der neuesten „nature“-Ausgabe berichtet wird.

Der eisenreiche metallische Erdkern wird von dem silikatischen Erdmantel umgeben. Eisen (Fe) ist nicht nur der wichtigsten 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 (reduzierende Bedingungen) liegt ein größerer Anteil an FeO vor, als bei oxidierenden Bedingungen bzw. einem hohem Sauerstoffgehalt. Untersuchungen an natürlichen Proben haben gezeigt, dass etwa 97% des Eisengesamtgehalts in Erdmantelgesteinen als FeO vorliegen, was auf sehr reduzierende Bedingungen innerhalb der Erde schließen läßt.

Hochdruckexperimente, die am Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth vorgenommen wurden und über die die renommierte Wissenschaftszeitschrift „nature“ in ihrer neuesten Ausgabe berichtet, haben nun gezeigt, dass der untere Erdmantel (670-2900 km 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 ein Teil des FeO 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 ca. 1% Eisen in Metallform enthalten muß.

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 bzw. 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 auch, daß einer der wichtigsten Parameter zur Entstehung des Lebens auf der Erde von der Existenz metallischen Eisens im Erdmantel positiv beeinflußt sein kann.