Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Große Sauerstoffquellen im Erdinneren

12.02.2016

Neue Erkenntnisse der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung

Tief im Erdinneren existieren große, bisher unbekannte Sauerstoffquellen, die möglicherweise einen erheblichen Einfluss auf den Materialkreislauf der Erde haben. Darauf deuten neue Forschungsergebnisse hin, die ein internationales Team unter der Leitung der Bayreuther Wissenschaftlerin Dr. Elena Bykova erzielt hat.


Strukturmodelle der neu entdeckten Eisenoxide Fe5O7 und Fe25O32, die unter hohen Drücken

und Temperaturen aus Fe2O3 bzw. Fe3O4 entstehen. Eisenatome sind blau-grün dargestellt.

Grafiken: Dr. Elena Bykova.


Dr. Elena Bykova und Dr. Maxim Bykov beim Aufbau von Experimenten an

einem Diffraktometer an der Röntgenquelle Petra III, Deutsches Elektronen-

Synchrotron (DESY) in Hamburg. Foto: Dr. Konstantin Glazyrin.

Entscheidend waren dabei Materialanalysen an der Röntgenquelle Petra III des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) in Hamburg, der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble und der Advanced Photon Source (APS) am Argonne National Laboratory in Chicago.

Die Wissenschaftler konnten beobachten, dass unter sehr hohen Drücken und Temperaturen aus den Mineralen Hämatit und Magnetit neue, bisher unentdeckte Eisenoxid-Phasen entstehen und Sauerstoff dabei freigesetzt wird. Darüber berichten sie in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Untersuchungen von Mineralen unter extremen Bedingungen

Eisenoxide sind Minerale, die in der Natur in verschiedenen kristallinen Strukturen – sogenannten Phasen – vorkommen. Besonders weit verbreitet sind Hämatit (Fe₂O₃) und Magnetit (Fe₃O₄). Diese Eisenerzminerale haben einen Eisengehalt von über 70 Prozent und sind eine der wichtigsten Ressourcen für die industrielle Gewinnung von Eisen und Stahl.

Dr. Elena Bykova, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Labor für Kristallographie und am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth, hat mit ihrem Team diese Eisenoxide unter sehr hohen Drücken und Temperaturen untersucht.

Dabei kamen die am BGI entwickelten Diamantstempelzellen zum Einsatz. In einer solchen Stempelzelle können winzige Materialproben zwischen zwei harten Diamantköpfen eingequetscht und Kompressionsdrücken von mehreren hundert Gigapascal ausgesetzt werden. Mit einem zielgenau gesteuerten Laserstrahl lassen sich die Proben dann auf mehr als 2.000 Grad Celsius erhitzen.

„Die intensive und zugleich äußerst feine Röntgenstrahlung, die von der DESY-Röntgenquelle Petra III erzeugt wird, macht es möglich, Veränderungen in der kristallinen Struktur der Proben zu beobachten – eben diejenigen Veränderungen, die durch eine extreme Steigerung des Kompressionsdrucks und der Temperatur ausgelöst werden“, erklärt Dr. Bykova.

„Live“ beobachtet: die Entstehung bisher unbekannter Eisenoxide

Bei diesen Untersuchungen stellte sich heraus, dass Fe₂O₃ sich bei einem Druck von 67 Gigapascal und einer Temperatur von 2.400 Grad Celsius auflöst und das bisher unbekannte Eisenoxid Fe₅O₇ entsteht. Für die Erforschung geochemischer Prozesse ist diese Entdeckung umso interessanter, als derartige Verhältnisse ungefähr 1.500 Kilometer unter der Erdoberfläche gegeben sind – also innerhalb des unteren Erdmantels, der sich bis in eine Tiefe von rund 2.900 Kilometern erstreckt.

Wenn der Druck und die Temperatur in der Stempelzelle auf 80 Gigapascal und 2.200 Grad Celsius gesteigert werden, zerfällt auch Fe₃O₄ und es bildet sich das Eisenoxid Fe₂₅O₃₂ heraus. Derart hohe Drücke und Temperaturen kommen in den untersten Bereichen des Erdmantels vor.

„Die Hochdruck- und Hochtemperaturforschung hat bereits in den letzten Jahren eine Reihe von Eisenoxiden entdeckt, die sich hinsichtlich ihrer Strukturen von Hämatit und Magnetit klar unterscheiden. Aber erstmals haben wir, dank der besonderen Leistungsfähigkeit der Synchrotron-Zentren in Hamburg, Grenoble und Chicago, die Entstehung von Eisenoxiden bei hohen Drücken und Temperaturen in situ – also sozusagen 'live' – beobachten und die dabei erstmals entdeckten kristallinen Strukturen exakt bestimmen können“, erklärt Dr. Maxim Bykov.

Er ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bayerischen Geoinstitut und Ko-Autor der in „Nature Communications“ veröffentlichten Studie. Für seine herausragende Dissertation am Labor für Kristallographie ist er im letzten Jahr mit einem Preis der Stadt Bayreuth ausgezeichnet worden.

Mineraltransport in den Erdmantel: Freigesetzter Sauerstoff beeinflusst geochemische Prozesse

Die neuen Forschungsergebnisse eröffnen eine neue Sicht auf Prozesse im Erdinneren. Denn Hämatit und Magnetit sind die Hauptbestandteile von Bändererzen (Banded Iron Formations, BIFs). Hierbei handelt es sich um riesige, schichtförmig strukturierte Gesteinsmassen, die rund 2 Milliarden Jahre alt sind und sich über die gesamte Erdoberfläche verteilen. Sie sind in der Regel mehrere hundert Meter dick und mehrere hundert Kilometer lang. Ursprünglich bedeckten sie weite Flächen des Meeresbodens. Seitdem aber bewirken Prozesse der Subduktion, dass Krustenmaterial tief ins Erdinnere gelangt. Dies geschieht immer dann, wenn ozeanische Erdkruste am Rand einer Kontinentalplatte in den Erdmantel abtaucht.

„Die Vermutung liegt nahe, dass auf diese Weise auch große Mengen von Hämatit und Magnetit tief in den Erdmantel vorgedrungen sind und sich unter den Kompressionsdrücken und Temperaturen, wie wir sie im Labor nachgestellt haben, in neue Eisenoxid-Phasen umgewandelt haben“, meint Dr. Bykova. Die Sauerstoffmengen, die dabei im unteren Erdmantel freigesetzt worden sind, seien nicht zu unterschätzen.

„Nehmen wir einmal an, dass die Menge der Bändererze, die im Verlauf der Erdgeschichte ins Erdinnere gelangt sind, von der Forschung heute zutreffend eingeschätzt wird. Dann sind allein bei der Umwandlung von Hämatit in Fe₅O₇ Sauerstoffmengen produziert worden, die insgesamt acht- bis zehnmal größer sind als die Sauerstoffmenge in der heutigen Erdatmosphäre“, so die Bayreuther Wissenschaftlerin.
Was ist mit diesem Sauerstoff im Erdmantel geschehen? Die Autoren der neuen Studie wissen darauf noch keine endgültige Antwort.

„Es ist aber angesichts der produzierten Mengen sehr wahrscheinlich, dass der bei der Umwandlung von Eisenoxiden entstandene Sauerstoff den Materialkreislauf der Erde bis heute erheblich beeinflusst – sei es, dass er Oxidationsprozesse in den unmittelbar umgebenden Gesteinsmassen fördert oder Spurenelemente mobilisiert. Möglicherweise steigt er auch bis in den oberen Erdmantel auf und trägt hier zur Bildung von Silikaten bei“, meint Prof. Dr. Dr. h.c. Leonid Dubrovinsky, Forschungsprofessor am BGI in Bayreuth. „Die riesigen Sauerstoffressourcen im Erdinneren, auf die unsere neuen Forschungsergebnisse verweisen, sollten jedenfalls in künftigen Modellen geochemischer Prozesse berücksichtigt werden – bis hin zu Modellen der Klimaentwicklung.“

Internationale Kooperation und Forschungsförderung

Die neuen Forschungsergebnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit führender Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der geowissenschaftlichen Hochdruck- und Hochtemperaturforschung hervorgegangen. Schon seit vielen Jahren kooperieren das Labor für Kristallographie und das Bayerische Geoinstitut der Universität Bayreuth sehr erfolgreich mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble und der Advanced Photon Source (APS) am Argonne National Laboratory in Chicago. Wissenschaftler aller dieser Einrichtungen sind als Ko-Autoren an der in „Nature Communications“ veröffentlichten Studie beteiligt.

„Unsere Forschungsarbeiten sind von vielen Seiten unterstützt worden“, erklärt Prof. Dr. Dr. h.c. Natalia Dubrovinskaia, Heisenberg-Professorin für Materialphysik und Technologie bei extremen Bedingungen an der Universität Bayreuth. „Insbesondere die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) haben die in Bayreuth und Hamburg durchgeführten, technologisch sehr anspruchsvollen Materialanalysen finanziell gefördert.“

Veröffentlichung:
Elena Bykova et al., Structural complexity of simple Fe₂O₃ at high pressures and temperatures.
Nat. Commun. 7:10661 doi: 10.1038/ncomms10661 (2016).

Kontakt:
Dr. Elena Bykova
Bayerisches Geoinstitut und Labor für Kristallographie
Universität Bayreuth
95447 Bayreuth
Telefon: +49 (0)921 55 3888
E-Mail: elena.bykova@uni-bayreuth.de

www.uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen
26.04.2017 | Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e. V.

nachricht Flechten aus dem Bernsteinwald
25.04.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie