Gallium und Aluminium: Neue Hinweise auf die Entwicklung der Ozeane

Wie sich die Verteilung dieser beiden Stoffe in den Ozeanen von der Frühzeit der Erde vor 3,8 Milliarden Jahren bis heute verändert hat, untersuchen jetzt Michael Bau, Professor für Geowissenschaften an der Jacobs University Bremen, und seine Doktoranden Katharina Schier und David Ernst in zwei von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) beziehungsweise der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) geförderten Projekten.

Bau und sein Team werden moderne Manganknollen analysieren, aber auch eisenreiche Sedimentgesteine aus den ältesten Regionen der Erde in Grönland, Südafrika und Brasilien. Diese Knollen und Gesteine lagerten sich auf dem Boden der Ozeane ab und lassen sich als Archive für die chemische Zusammensetzung des Meerwassers nutzen.

„Die Umweltbedingungen auf der jungen Erde unterschieden sich damals deutlich von den heutigen. Wenn überhaupt gab es in der Atmosphäre nur sehr wenig Sauerstoff, aber der Gehalt an Kohlendioxid war viel, viel höher“, beschreibt Bau die Kindheit unseres Planeten.

„Das Meerwasser war reich an Eisen und Mangan, zahlreiche kleine und große Vulkane schleuderten Lava, Asche und Gase in die Atmosphäre und Ozeane. Die Sonne schien schwächer als heute, der Mond befand sich näher an der Erde – was eine größere Tide zur Folge hatte – und unser Planet wurde immer wieder von großen und kleinen Meteoriten getroffen“, so Bau. „Trotz dieser für uns heute extrem feindlichen Umwelt konnte Leben entstehen und sich weiterentwickeln.“

Heute gelangen die meisten Metalle vor allem über die Flüsse in die Ozeane. Anders war es in der Frühzeit der Erde: Auf dem Meeresboden führte intensive vulkanische Aktivität zu einem massiven Eintrag von heißen metallreichen Wässern, und diese hydrothermalen Metalle konnten sich dann im sauerstofffreien Wasser der frühen Ozeane anreichern. Lagerten sich nun Sedimente auf dem Meeresboden ab, so enthielten diese sowohl die hydrothermalen Metalle als auch jene, die aus Flüssen stammen.

Wie sich das Verhältnis von Gallium zu Aluminium in eisen- und manganreichen Sedimenten während der vergangenen 3800 Millionen Jahre verändert hat, werden Bau, Ernst und Schier jetzt erstmals systematisch untersuchen, denn das Gallium-zu-Aluminium-Verhältnis in hydrothermalen Quellen und in Flüssen ist sehr unterschiedlich.

„Derzeit“, erklärt Bau, „gibt es kaum verlässliche Daten über die Konzentration von Gallium und dessen Verhältnis zu Aluminium, weil es in niedrigen Konzentrationen in solchen Gesteinen nur sehr schwer exakt zu messen ist. Unsere Projekte werden dies ändern. Zudem werden sie wertvolle Informationen über das grundlegende Verhalten von Gallium in der Umwelt liefern.“

Weil immer mehr kritische Metalle wie Gallium in High-Tech-Produkten wie LEDs und Solarzellen zum Einsatz kommen, gelangen sie auch verstärkt in die Umwelt. Um das Verhalten von Gallium im Ozean, aber auch in Süßwasser, Böden und Organismen besser zu verstehen und Umweltprobleme zu verhindern, wird Katharina Schier sich auf die Analyse von Manganknollen konzentrieren. „Dabei werden wir aber auch das Verständnis der grundlegenden Prozesse verbessern, die die Verteilung von Gallium kontrollieren, was dazu beitragen kann, Gallium-Lagerstätten zu finden“, fügt David Ernst hinzu.

Das Projekt zur frühen Erde wird von der DFG im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1833 „Building a Habitable Earth“ gefördert, das Forschergruppen aus ganz Deutschland zusammenbringt, die untersuchen wie sich die Erde aus einem heißen Magmaball zu einem Planeten mit Landmassen, Ozeanen und Leben entwickelt hat. In diesem Schwerpunktprogramm ist das Team des Programms „Earth and Environmental Sciences“ der Jacobs University nicht nur an der Forschung beteiligt, sondern ist auch Gastgeber eines internationalen Symposiums in Bremen und organisiert einen Geländeworkshop in Brasilien.

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