Neue Forschungen unter der Leitung des Geowissenschaftlers Dr. Chunfei Chen von der Macquarie University werfen ein neues Licht auf geologische Prozesse vor bis zu drei Milliarden Jahren und markieren einen bedeutenden Wandel im Verständnis der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die frühe Erde.
Die Studie veröffentlicht in Natur gibt Einblick in die tiefgreifenden Auswirkungen der allmählichen Abkühlung des Planeten auf den tiefen Kreislauf von Kohlenstoff und Chlor zwischen der Erdoberfläche und ihrem Inneren.
„Die Abkühlung der Erde hat immense Veränderungen in den tiefen Kreisläufen von Kohlenstoff und Chlor verursacht“, sagt Dr. Chen.
„Heutzutage kehrt Chlor typischerweise in vulkanischen Gasen an die Oberfläche zurück, während der größte Teil des Kohlenstoffs als festes Karbonat in Tiefen von Hunderten von Kilometern eingeschlossen ist; aber bis die Erde etwa zwei Drittel ihres heutigen Alters hatte, war die Situation genau umgekehrt.“
Magma dominierte die Erdoberfläche in der frühen Zeit nach der Entstehung des Planeten, aber als der Planet allmählich abkühlte, bildeten sich auf der Oberfläche Krustenplatten mit einer Dicke von etwa 100 km, die im Rahmen der Plattentektonik über den Mantel glitten.
Da ozeanische tektonische Platten an Subduktionszonen in den Erdmantel zurücktauchen, könnten auch Sedimente, die sich in Trögen unter den Ozeanen festgesetzt haben, in den Erdmantel gedrückt worden sein.
Wissenschaftler, die das Schicksal dieser Sedimente in Hochdruckschmelzexperimenten untersuchen, haben bisher durchschnittlich alle ozeanischen Sedimente behandelt, in denen Kohlenstoff nur einen untergeordneten Bestandteil darstellt.
Der meiste Kohlenstoff reichert sich jedoch in Karbonatsedimenten an – bekannte Beispiele für große Flächen von Karbonatsedimenten an der Oberfläche sind die weißen Klippen von Dover oder die Dolomiten in Italien – und diese verhalten sich möglicherweise anders als kleine Kohlenstoffanteile.
Dr. Chens Team simulierte mithilfe von Hochdruckexperimenten die Subduktion von Kalkstein und Kreide und stellte fest, dass jeglicher Schmutz im Kalkstein zuerst schmilzt und eine Silikatschmelze entsteht, während das Karbonat in fester Form in größere Tiefen gedrückt wird und tief in den Kalkstein vordringen kann Mantel.
Das Forschungsteam testete auch Bedingungen, die frühere, heißere Perioden der langen Erdgeschichte nachahmten, und stellte fest, dass Kalkstein zwar schmolz, die Salze sich jedoch nicht in den von ihnen erzeugten Karbonatschmelzen auflösten und stattdessen tief in den Erdmantel gedrückt und nicht an die Oberfläche zurückgebracht wurden wie sie heute sind.
„Es war bemerkenswert zu sehen, wie sich das Salz und die Verunreinigungen vollständig von den Carbonaten trennten“, sagt der Zweitautor der Studie, Dr. Michael Forster, der die Proben an der Australian National University analysierte.
Dr. Forster sagt, dass dem Team ein Durchbruch gelang, als das Elektronenmikroskop die winzigen experimentellen Phasen vergrößerte und analysierte und dabei einen Pool aus abgeschrecktem Glas und Salz neben sauberen Calcitkristallen zeigte.
Als sie das sahen, sagte Chunfei: „Wow, interessant, das bedeutet, dass die Subduktionszonen wie ein riesiger Filter fungieren müssen, der früher Salz in die tieferen Erdschichten eindringen ließ.“
Die Forschung ist Teil eines größeren Projekts, das tiefe Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Chlor in der Evolutionsgeschichte der Erde untersucht und vom angesehenen Professor Stephen Foley von der Macquarie University School of Natural Sciences geleitet wird.
„Der Austausch flüchtiger Elemente wie Kohlenstoff, Chlor und Stickstoff zwischen dem tiefen Erdmantel und der Oberfläche ist der Schlüssel zur Entwicklung des Klimas, der Ozeane und allen Lebens auf der Erde“, sagt Professor Foley.
„Diese bedeutende Forschung ist die erste, die die Subduktion massiver Abschnitte von Karbonatsedimenten anstelle von durchschnittlichem Sedimentgestein in Betracht zieht – obwohl es realistischer ist, dass riesige Karbonatblöcke an der Plattentektonik beteiligt sein werden“, sagt er.
„Diese Veränderungen im Chlor- und Kohlenstoffverhalten im Laufe der Zeit hatten wahrscheinlich Einfluss auf den Salzgehalt des Meerwassers zu verschiedenen Zeiten in der Erdgeschichte und hatten einen Einfluss auf die Entwicklung des Lebens auf der Erde.“
Diese Forschung werde zu einer umfassenderen Perspektive auf die Entwicklung unseres Planeten und sein heikles Zusammenspiel mit der Entwicklung des Lebens führen, fügt er hinzu – und könnte uns helfen, die Bedingungen auf Planeten außerhalb unseres Planeten wie dem Mars zu verstehen.
Mehr Informationen:
Chunfei Chen et al, Karbonatreiche Krustensubduktion treibt die tiefen Kohlenstoff- und Chlorkreisläufe voran, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06211-4