Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Von der Kruste in den Mantel und zurück

19.01.2015

Uran-Isotope hinterlassen in Vulkangesteinen einen eindeutigen «Fingerabdruck», mit dem sich das Alter und die Herkunft dieser Gesteine bestimmen lässt. Geologinnen und Geologen haben nun anhand dieser Uran-Isotope neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie das Recycling von Erdkruste vor sich geht.

Uran und seine Isotope haben sich dank ihrer langen Halbwertszeiten als ideale Spurenelemente entpuppt, anhand derer Geologen die Entwicklung der Erdoberfläche rekonstruieren können.


Die Simulation verdeutlicht, wie Krustenmaterial (blau) und damit Uran in den Erdmantel (orange) subduzieren. (Bild: ETH Zürich/ Geophysical Fluid Dynamics)

Eine neue Studie über den Kreislauf der verschiedenen Uranspezies bringt weitere Aspekte in die Debatte darüber ein, wie sich das Gesicht der Erde über die Jahrmilliarden verändert hat. Uran ist seit Anbeginn der Zeit Bestandteil der Erde.

Einerseits bestehen von Uran mehrere Isotope, wie Uran-238 und das leichtere Uran-235. Je nach Umweltbedingungen liegt Uran aber auch in verschiedenen Oxidationsstufen vor: In einer sauerstofflosen Umgebung, wie sie auf der jungen Erde herrschte, als vierfach positiv geladenes Uran(IV), sowie als sechsfach positiv geladenes Uran(VI), nachdem Sauerstoff entstanden war und Uran(IV) oxidierte.

Diese verschiedenen Oxidationsformen und Isotope von Uran helfen nun Geologen, die Veränderungen der Erdoberfläche und die Wiederverwertung von Krusten über den Lauf der vergangenen Milliarden nachzuvollziehen, wie sie in einer eben in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie aufzeigen.

«Uran ist aufgrund seiner extrem langen Halbwertszeit von vier Milliarden Jahre eines der wenigen Elemente, mit dem wir die Frühgeschichte der Erde rekonstruieren können», sagt Morten Andersen, Geochemiker am Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich.

Uranisotope bilden spezifische Signaturen

Für ihre Studie nutzte eine Gruppe von Erdwissenschaftlern der ETH Zürich sowie der Universitäten Bristol, Wyoming, Durham und Rhode Island den «Fingerabdruck», welchen die verschiedenen Uranisotope und Oxidationsformen in Vulkangesteinen hinterlassen. Diese Signaturen sind typisch für gewisse Erdzeitalter und für bestimmtes Erdkrustenmaterial, das durch Subduktion in den Mantel abtauchte und dort rezykliert wurde.

Um den Urankreislauf (und den Gesteinskreislauf) zu untersuchen, analysierten die Forscher Basalte aus dem Bereich von mittelozeanischen Rücken, so genannte MORBs (Mid-ocean ridge basalts). An diesen Stellen driften ozeanische Krusten auseinander, sodass an der Nahtstelle relativ junges vulkanisches Material aus dem oberen Erdmantel austritt. Die Urananteile von MORBs verglichen sie mit denen von Basalten, die von Ozeaninseln wie Hawaii oder den Kanaren stammen. Diese Inseln liegen inmitten von Platten und wurden wohl von Magmasäulen, den Mantelplumes, gebildet. Diese fördern Material aus dem Grenzbereich von Erdkern und Erdmantel an Oberfläche. Es ist viel älter als dasjenige der MORBs und dürfte ein bis zwei Milliarden Jahre alt sein.

Zum Vergleich bestimmten die Forschenden überdies die Verhältnisse der Uranisotope von Meteoriten, die aus dem gleichen Ausgangsmaterial wie die Erde bestehen und damit die ursprüngliche Uran-Komposition der Kruste aufweisen.

Schweres Uran bleibt oben

Das Isotopenverhältnis von Uran-238 zu Uran-235 war bei MORBs deutlich grösser als bei Inselbasalten. Auch war das Verhältnis höher als dasjenige von Meteoriten. Das spricht laut Andersen dafür, dass das in MORBs enthaltene Uran sowohl auf dem Land als auch im Wasser Kontakt mit Sauerstoff hatte und sich demnach zu einer Zeit veränderte, als sowohl Atmosphäre als auch Wasser mit dem Gas versorgt waren. Erst danach wurde die ozeanische Kruste, welche das veränderte Uran aufgenommen hatte, durch Subduktion in den oberen Mantel gezogen. Durch die Konvektion, also die walzenförmige Bewegung im oberen Mantel, wurde dieses Plattenmaterial schliesslich in den Bereich der mittelozeanischen Rücken transportiert und als MORB zurück an die Oberfläche befördert.

Den höheren Anteil von Uran-238 in den MORBs erklärt der Mitautor der Studie, Heye Freymuth von der Universität Bristol, wie folgt: «Unterschiede im Isotopen-Verhältnis bilden sich vor allem dann, wenn Uran in beiden Oxidationsgraden, also als Uran(IV) und Uran(VI), vorliegen kann. Dies war nach dem ersten Anstieg des Sauerstoffgehalts vor rund 2,4 Milliarden Jahren auf der Erdoberfläche jedoch nicht möglich, weil die Ozeane noch nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt waren.»

Im Vergleich zu den Bedingungen von vor 600 Millionen Jahren beim zweiten markanten Anstieg des Sauerstoffgehalts habe sich vor allem die Tatsache geändert, dass Veränderungen der ozeanischen Kruste am Meeresboden unter oxidierten Bedingungen zum bevorzugten Einbau von Uran-238 geführt hätten, während sich das leichtere Uran-235 im Meerwasser anreicherte.

Zwar sei weiterhin ozeanische Kruste in den Erdmantel transportiert worden, aber – verursacht durch die Oxidation der Ozeane – zum erstem Mal mit einem Uranisotopenverhältnis, das sich von dem des Erdmantels unterschied.

Uralte Inselbasalte

Anders die Inselbasalte. Ihr Verhältnis von Uran-238 zu Uran-235 entsprach demjenigen der Vergleichsmeteoriten. Dies erklären die Forscher damit, dass alte ozeanische Kruste, die kein oder nur wenig Sauerstoffkontakt hatte, im Lauf der Zeit in den unteren Mantel gelangte. Die Messungen der Uranisotopen an Inselbasalten ergaben, dass diese Gesteine nicht von jungen subduzierten Ozeankrusten stammen können. Die Quellen dieser Vulkangesteine müssen demnach älter sein als 600 Millionen Jahre. Bisherige Modelle gaben das Alter dieser Quellen im tiefen Erdmantel mit 1,8 bis 2,4 Milliarden Jahre an. Durch die Messung der Uranisotope in Inselbasalten konnte das Forschungsteam dieses Alter nun zum ersten Mal durch Daten belegen.

Heisse Debatte über Frühzeit der Erde

Die Studie über den Uran- und damit den Krustenkreislauf bringt neue Aspekte in die Debatte darüber ein, wie sich das Gesicht der Erde über die Jahrmilliarden verändert hat. «Für die Erdwissenschaftler ist dies eine der heissesten aktuellen Forschungsfragen», betont Andersen. Besonders lebhaft debattieren Fachleute, wie sich die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre entwickelt hat. Denn damit hängen auch viele geologische Verwitterungsprozesse zusammen – auch das Schicksal des Urans.

«Ein wichtiges Resultat dieser Studie ist, wie verändernde Bedingungen an der Erdoberfläche und die Zunahme von Sauerstoff in der Atmosphäre die Zusammensetzung der tiefen Erde beeinflussen. Unsere Resultate lassen vermuten, dass Uran aufgrund der Veränderungen in den vergangenen 600 Mio. Jahren von der Oberfläche mobilisiert, ins Erdinnere transportiert und im Mantel verbreitet wurde», sagt Andersen.

Die vorliegende Studie sei vor allem Grundlagenforschung. Die gefundenen Uranisotopen-Signaturen könnten jedoch wirtschaftlich dafür genutzt werden, um unbekannte Uranvorkommen aufzuspüren. Das Forschungsgebiet sei jedoch noch recht jung und bedürfe weiterer Studien. Die erste grundlegende wissenschaftliche Arbeit über das Isotopenverhältnis U-238 zu U-235 ist erst 2007 veröffentlicht worden. Diese zeigte das Potential von Uranisotopen auf. Die Studie von Andersen und Kollegen ist die erste, die das Uranisotopenverhältnis für die Untersuchung magmatischer Gesteine nutzt und auf Recyclingprozesse in der tiefen Erde anwendet.

Literaturhinweis

Andersen MB, Elliott T, Freymuth H, Sims KWW, Niu Y, Kelley KA. The terrestrial uranium isotope cycle. Nature, published online 15. January 2015. DOI: 10.1038/nature14062

Weitere Informationen:

http://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2015/01/uran-cyclin...

Peter Rüegg | ETH Zürich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Klimawandel schwächt tropische Windsysteme
20.10.2017 | MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen

nachricht An der Wurzel des Amazonas: Bodentiefe bestimmt Vegetationstyp
20.10.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise