Die Sauerstoffflüchtigkeit (fO2) des Mantels steuert die Artbildung und Mobilität der darin enthaltenen flüchtigen Stoffe, beeinflusst die Zusammensetzung der während der magmatischen Aktivität des Mantels freigesetzten flüchtigen Stoffe und reguliert dadurch die Zusammensetzung der Atmosphäre.
Forscher vom Institut für Ozeanologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (IOCAS) haben zusammen mit ihren Mitarbeitern kürzlich einen neuen Parameter, die „potenzielle Sauerstoffflüchtigkeit“, vorgeschlagen, um die fO2-Eigenschaften von Schmelzen, die in unterschiedlichen Tiefen entstanden sind, direkt zu vergleichen.
Die aktuelle Forschung zum fO2 des Mantels konzentriert sich hauptsächlich auf die Untersuchung des fO2 von aus dem Mantel stammenden Schmelzen. Aufgrund der zunehmenden Stabilität von Fe3+ in Granat mit zunehmendem Druck nimmt das fO2 des Mantels jedoch mit der Tiefe ab, wenn die Mantelzusammensetzung unverändert bleibt. Daher könnten die fO2-Unterschiede in Schmelzen aus unterschiedlichen Tiefen eher Variationen in der Tiefe des Magmaursprungs widerspiegeln, die stark von der Manteltemperatur abhängig sind, als inhärente Unterschiede im fO2 des Mantels (Fe3+/ΣFe-Verhältnis).
Der von den Forschern vorgeschlagene Parameter ist analog zur klassischen Definition der potentiellen Temperatur und stellt die fO2 des Mantels bei 1 GPa dar, unter der Annahme, dass während der Dekompression kein Schmelzen stattfindet.
Die Verwendung des Parameters der potentiellen Sauerstoffflüchtigkeit ermöglicht einen direkten Vergleich der Redoxzustände von Mantelquellen aus verschiedenen Tiefen und ermöglicht so die Einschränkung der Entwicklung des Redoxzustands des Mantels.
„Die Entschlüsselung der Entwicklung des Redoxzustands des Erdmantels seit dem Hadaikum ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis wichtiger wissenschaftlicher Fragen wie dem tiefen Kohlenstoffkreislauf, der Entwicklung der atmosphärischen Zusammensetzung und der Entstehung des Lebens“, sagte Dr. Zhang Fangyi, Erstautor der Studie und ebenfalls Forscher am IOCAS.
Die Studie war veröffentlicht In Naturkommunikation am 10. August.
Mithilfe des von ihnen entwickelten Parameters der potentiellen Sauerstoffflüchtigkeit sammelten die Forscher seit dem Altertum von 3,8 Ga weltweit Daten über normale, aus dem Erdmantel stammende Basalte und aus Mantelplumes stammende Komatiite und Pikrite, um die Entwicklung des Redoxzustands und der thermischen Geschichte des Erdmantels einzugrenzen.
Die Ergebnisse zeigten, dass der fO2-Wert archäischer Magmen deutlich niedriger war als der postarchäischer Magmen. Gleichzeitig zeigte der fO2-Wert von Magmen eine starke negative Korrelation mit der Mantelpotentialtemperatur und dem Schmelzdruck.
„Dies deutet darauf hin, dass die hohe potentielle Temperatur des archaischen Erdmantels, die eine tiefe und ausgedehnte partielle Schmelze verursachte, möglicherweise zur niedrigeren Sauerstoffsättigung der archaischen Magmen geführt hat“, sagte Dr. Zhang Fangyi.
Nachdem Zhang und seine Kollegen den fO2-Wert aller aus dem Mantel stammenden Magmen auf die potentielle Sauerstoffflüchtigkeit normalisiert hatten, stellten sie fest, dass der fO2-Wert sowohl des umgebenden Mantels als auch der Mantelplume-Quellen (unterer Mantel) seit dem Hadaikum konstant geblieben ist.
„Die Variationen im fO2 der aus dem Erdmantel stammenden Magmen waren auf Veränderungen in der Schmelztiefe und dem Schmelzausmaß zurückzuführen“, sagte Außerordentlicher Professor Vincenzo Stagno, Co-Autor der Studie und Forscher an der Sapienza-Universität in Rom.
Änderungen des fO2 von aus dem Erdmantel stammenden Magmen beeinflussten die Zusammensetzung der freigesetzten flüchtigen Stoffe und beeinflussten somit die Zusammensetzung der Atmosphäre. Frühere Studien legten nahe, dass der Anstieg des fO2 im Erdmantel seit dem Archaikum einen Anstieg des atmosphärischen O2-Gehalts bewirkte. Diese Studie zeigt jedoch, dass der Anstieg des fO2 von aus dem Erdmantel stammenden Magmen tatsächlich durch eine langfristige Abkühlung des Erdmantels verursacht wurde, die zu einer verringerten Schmelztiefe führte und somit die Zusammensetzung der Atmosphäre beeinflusste.
Diese Studie integriert auf einzigartige Weise den thermischen Zustand und den Redoxzustand des Mantels sowie die Entwicklung der Zusammensetzung der Atmosphäre und bietet somit „eine neue Perspektive zum Verständnis der Koevolutionsgeschichte des multisphärischen Systems der Erde“, sagte Prof. Sun Weidong, der korrespondierende Autor der Studie.
Weitere Informationen:
Fangyi Zhang et al., Der konstante Oxidationszustand des Erdmantels seit dem Hadaikum, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50778-z