Eisen im uralten, tiefen Magmaozean, untersucht mit ultraschnellen Femtosekunden-Röntgenlasern

Als die Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren ihre Entstehung abschloss, war sie von einem globalen Ozean aus geschmolzenem Magma umgeben, der sich aufgrund heftiger Einschläge Hunderte bis Tausende Kilometer unter ihrer Oberfläche erstreckte. Diese frühe Umgebung hatte wenig Ähnlichkeit mit den bewohnbaren Bedingungen, die wir heute auf der Erde erleben.

Dennoch waren diese ersten paar hundert Millionen Jahre entscheidend für die Gestaltung der grundlegenden chemischen und physikalischen Strukturen unseres Planeten, wie wir sie heute kennen. Zu den wichtigsten Entwicklungen in dieser Zeit gehörte die Bildung des metallreichen Erdkerns und des silikatreichen Erdmantels.

Im heutigen Erdmantel haben jüngste seismische Bildgebungsstudien große, berg- bis kontinentgroße, rätselhafte Strukturen im untersten Mantel enthüllt. Während der Ursprung dieser Strukturen seit über einem Jahrzehnt diskutiert wird, deuten zahlreiche Modelle darauf hin, dass diese dichten Strukturen am Boden des Erdmantels die letzten Überreste des alten globalen Magmaozeans sein könnten.

Eine entscheidende experimentelle Beobachtung, die diese Modelle stützt, ist, dass sich Eisen bei hohen Drücken im untersten Mantel tendenziell stärker im Magma als in den Kristallen konzentriert. Durch dieses Phänomen wird das Magma in den späten Stadien der Erdmantelerstarrung dichter als die kristallisierte Gesteinsschicht, der Erdmantel, und es sinkt. Dennoch bleibt eine grundlegende Frage bestehen: Warum löst sich Eisen bevorzugt im Magma auf und nicht in den Kristallen?

Viele haben postuliert, dass die elektronische Struktur von Eisenatomen der Schlüssel zu dieser Frage sein könnte. Die Untersuchung der elektronischen Struktur von Eisenatomen unter solch extremen Bedingungen stellt jedoch gewaltige Herausforderungen dar.

Auf der Suche nach Antworten führte ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter ASU-Teammitglieder, Experimente durch, bei denen Silikatmagma mit Hochleistungslaserstrahlen einem Druck von mehr als 1 Million Bar und Temperaturen von 7.000 Grad Fahrenheit ausgesetzt wurde. Die Ergebnisse ihrer Erkenntnisse wurden in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschrittemit dem Geowissenschaftler der ASU School of Earth and Space Exploration und Professor Dan Shim als Hauptautor.

In diesem Stoßwellenexperiment kann die Probe nur Femtosekunden lang einen geschmolzenen, stark komprimierten Zustand aufrechterhalten (eine Femtosekunde ist eine extrem kurze Zeitspanne, die einer Billiardstel Sekunde entspricht). Um die elektronische Struktur von Eisenatomen in Silikatmagma zu untersuchen, die nur für eine so kurze Zeit bestehen bleiben können, haben sie mit ultraschnellen, intensiven Röntgenlaserpulsen am Matter in Extreme Conditions Spektren der Eisenatome in der Probe gemessen ( MEC)-Strahllinien der Linac Coherent Light Source (LCLS), Teil des SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford.

Die Experimente ergaben, dass sich Elektronen in Eisenatomen in eine Konfiguration umordnen, die als Low-Spin-Zustand bekannt ist, was zu einem dichteren Zustand führt. Dieser dichtere Zustand ist für Eisenatome unter extremen Drücken stabiler, was das Magma zu einer günstigeren Umgebung für Eisenatome macht.

Diese atomare Transformation aus ultraschnellen Experimenten liefert eine Erklärung dafür, warum das Magma bei der Erstarrung des Magmaozeans dichter als Kristalle werden kann, und verdeutlicht, wie sich die in seismischen Studien beobachteten Strukturen im tiefsten Teil des Mantels bildeten und bestehen bleiben.

„In unseren Experimenten haben wir ein Ereignis untersucht, das sich vor 4,5 Milliarden Jahren ereignete, also vor sehr langer Zeit, vor 1017 Sekunden. Aber um das antike Ereignis zu verstehen, verwendeten wir eine lasergesteuerte Schocktechnik, die einen sehr hohen Druck erzeugen kann.“ nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde“, sagte Shim. „Der Unterschied zwischen den beiden Zeitskalen ist unglaublich groß (32 Größenordnungen)!“

Bemerkenswerterweise erreichten diese Experimente auch die Druckbedingungen, die man bei Supererde-Exoplaneten erwartet, bei denen es sich um Gesteinsplaneten außerhalb unseres Sonnensystems handelt, deren Radien ein- bis 1,8-mal größer als die der Erde sind.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Magma-Verdichtung in den Magma-Ozeanen von Supererden in viel größerem Ausmaß stattfinden könnte. Andere Studien haben gezeigt, dass dichte, eisenreiche Silikatmagmen bei hohen Drücken Dynamos erzeugen können.

Daher könnte diese Studie zum Verständnis beitragen, ob Silikatmagmen in Supererden zur Erzeugung von Magnetfeldern beitragen und möglicherweise die dünne Atmosphäre dieser Planeten vor der intensiven Strahlung ihrer Muttersterne abschirmen.