Die Erde hat möglicherweise ihre innersten Geheimnisse einem Paar kalifornischer Geochemiker preisgegeben, die mithilfe umfangreicher Computersimulationen die früheste Geschichte des Kerns unseres Planeten zusammengestellt haben.
Dieses Schema der Erdkruste und des Erdmantels zeigt die Ergebnisse ihrer Studie, bei der festgestellt wurde, dass extreme Drücke die schwereren Isotope des Eisens nahe dem Boden des Erdmantels konzentriert hätten, als es aus einem Ozean aus Magma kristallisierte.
Durch die Verwendung eines Supercomputers zum quetschen und Erhitzen eisenhaltiger Mineralien unter Bedingungen, die es gegeben hätte, als die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren aus einem Ozean aus Magma in ihre feste Form kristallisierte, haben die beiden Wissenschaftler - von der University of California in Davis - haben das erste Bild davon erstellt, wie verschiedene Eisenisotope ursprünglich in der festen Erde verteilt waren.
Die Entdeckung könnte eine Welle von Untersuchungen zur Entwicklung des Erdmantels einleiten, einer Materialschicht von etwa 1.800 Meilen Tiefe, die sich von knapp unter der dünnen Kruste des Planeten bis zu seinem metallischen Kern erstreckt.
"Jetzt, da wir eine Vorstellung davon haben, wie diese Eisenisotope ursprünglich auf der Erde verteilt waren", sagte der leitende Studienautor James Rustad, "sollten wir in der Lage sein, die Isotope zu verwenden, um das Innenleben des Erdmotors zu verfolgen."
Ein Artikel, der die Studie von Rustad und Co-Autor Qing-zhu Yin beschreibt, wurde von der Zeitschrift online gestelltNaturgeowissenschaften am Sonntag, 14. Juni, vor der Veröffentlichung im Juli.
Der riesige Erdmantel zwischen Erdkruste und Kern macht etwa 85 Prozent des Planetenvolumens aus. Auf menschlicher Zeitskala scheint dieser immense Teil unserer Kugel fest zu sein. Aber über Millionen von Jahren führen Hitze aus dem geschmolzenen Kern und der eigene radioaktive Zerfall des Mantels dazu, dass er sich langsam dreht, wie dicke Suppe über einer niedrigen Flamme. Diese Zirkulation ist die treibende Kraft hinter der Oberflächenbewegung tektonischer Platten, die Berge bauen und Erdbeben verursachen.
Eine Informationsquelle, die Einblick in die Physik dieser viskosen Masse gibt, sind die vier stabilen Formen oder Isotope von Eisen, die in Gesteinen gefunden werden können, die an Kämmen im mittleren Ozean, an denen sich der Meeresboden ausbreitet, und an Hotspots auf die Erdoberfläche gestiegen sind wie Hawaiis Vulkane, die durch die Erdkruste ragen. Geologen vermuten, dass ein Teil dieses Materials an der Grenze zwischen dem Mantel und dem Kern etwa 1.800 Meilen unter der Oberfläche entsteht.
"Geologen verwenden Isotope, um physikalisch-chemische Prozesse in der Natur so zu verfolgen, wie Biologen DNA verwenden, um die Entwicklung des Lebens zu verfolgen", sagte Yin.
Da die Zusammensetzung der Eisenisotope in Gesteinen abhängig von den Druck- und Temperaturbedingungen variiert, unter denen ein Gestein erzeugt wurde, könnten Geologen im Prinzip Eisenisotope in Gesteinen verwenden, die an heißen Stellen auf der ganzen Welt gesammelt wurden, um die geologische Geschichte des Mantels zu verfolgen . Dazu müssten sie jedoch zunächst wissen, wie die Isotope ursprünglich im ursprünglichen Magma-Ozean der Erde verteilt waren, als sie sich abkühlten und verhärteten.
Yin und Rustad untersuchten, wie die konkurrierenden Auswirkungen von extremem Druck und extremer Temperatur tief im Erdinneren die Mineralien im unteren Erdmantel beeinflusst hätten, der Zone, die sich von etwa 400 Meilen unter der Erdkruste bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt. Temperaturen bis zu 4.500 Grad Kelvin in der Region reduzieren die Isotopendifferenzen zwischen Mineralien auf ein winziges Niveau, während Quetschdrücke dazu neigen, die Grundform des Eisenatoms selbst zu verändern, ein Phänomen, das als elektronischer Spinübergang bekannt ist.
Das Paar berechnete die Eisenisotopenzusammensetzung zweier Mineralien unter einer Reihe von Temperaturen, Drücken und verschiedenen elektronischen Spinzuständen, von denen jetzt bekannt ist, dass sie im unteren Mantel auftreten. Die beiden Mineralien Ferroperowskit und Ferroperiklas enthalten praktisch das gesamte Eisen, das in diesem tiefen Teil der Erde vorkommt.
Die Berechnungen waren so komplex, dass jede Serie, die Rustad und Yin durch den Computer liefen, einen Monat in Anspruch nahm.
Yin und Rustad stellten fest, dass extreme Drücke die schwereren Isotope des Eisens nahe dem Boden des kristallisierenden Mantels konzentriert hätten.
Die Forscher planen, die Variation von Eisenisotopen in reinen Chemikalien zu dokumentieren, die im Labor Temperaturen und Drücken ausgesetzt sind, die denen an der Kern-Mantel-Grenze entsprechen. Schließlich, sagte Yin, hoffen sie, dass ihre theoretischen Vorhersagen in geologischen Proben bestätigt werden, die aus dem unteren Mantel stammen.
Quelle: Eurekalert
