Neues Modell zeigt, dass der tiefe Erdmantel von Anfang an trockener war

Der Erdmantel ist die dicke Schicht aus Silikatgestein zwischen der Erdkruste und ihrem geschmolzenen Kern, die etwa 84 % des Volumens unseres Planeten ausmacht. Der Mantel ist überwiegend fest, aber auf geologischen Zeitskalen verhält er sich wie eine viskose Flüssigkeit – so schwer zu rühren und zu mischen wie ein Topf Karamell.

Aber bleiben wir beim Vergleich mit Süßigkeiten, denken Sie vielleicht mehr an Malzbällchen und nicht an klebrige Karamellen. Eine Studie der Washington University in St. Louis legt nahe, dass der tiefe Teil des alten Mantels, der dem Erdkern am nächsten liegt, wesentlich trockener war als der Teil des Mantels, der der Oberfläche des jungen Planeten am nächsten liegt.

Durch die Analyse von Edelgasisotopendaten stellte Rita Parai, Assistenzprofessorin für Erd- und Planetenwissenschaften in Arts & Sciences, fest, dass der alte Plume-Mantel (der tiefe Teil) eine Wasserkonzentration aufwies, die im Vergleich dazu um den Faktor 4 bis 250 niedriger war die Wasserkonzentration des oberen Erdmantels.

Der resultierende Viskositätskontrast könnte eine Vermischung innerhalb des Mantels verhindert haben, was dazu beigetragen hat, bestimmte seit langem bestehende Geheimnisse über die Entstehung und Entwicklung der Erde zu erklären. Die Forschung wird in der Woche vom 11. Juli in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

„Ein ursprünglicher Viskositätskontrast könnte erklären, warum die riesigen Einschläge, die Magmaozeane im gesamten Mantel auslösten, den wachsenden Planeten nicht homogenisierten“, sagte Parai, der Fakultätsmitglied des McDonnell Center for the Space Sciences der Universität ist. „Es könnte auch erklären, warum der Plume-Mantel durch teilweises Schmelzen im Laufe der Erdgeschichte weniger verarbeitet wurde.“

Parais Untersuchung stellt eine Annahme in Frage, die einst auf ihrem Gebiet weit verbreitet war: dass der Erdmantel von Anfang an einheitlich war. Als sich das Sonnensystem vor etwa 4,5 Milliarden Jahren in seiner jetzigen Form niederließ, entstand die Erde, als die Schwerkraft wirbelndes Gas und Staub hereinzog, um der dritte Planet von der Sonne zu werden. Flüchtige Stoffe wie Wasser, Kohlenstoff, Stickstoff und die Edelgase wurden der Erde bei ihrer Entstehung zugeführt, aber Parais Studie legt nahe, dass das Material, das sich früher ansammelte, eine trockenere Gesteinsart war als das, was später ansammelte.

Sie fand heraus, dass die Helium-, Neon- und Xenon(Xe)-Isotope des Mantels erfordern, dass der Plume-Mantel am Ende dieser Akkretionsperiode im Vergleich zum oberen Mantel niedrige Konzentrationen an flüchtigen Stoffen wie Xe und Wasser aufweist. Der obere Mantel könnte von einem größeren Massenbeitrag von flüchtigen Materialien profitiert haben, ähnlich einer Klasse von Meteoriten, die als kohlenstoffhaltige Chondrite bezeichnet werden.

Parai verfolgt einen mehrgleisigen Ansatz, um die Lebensgeschichte eines Planeten herauszufinden. Diese Studie in PNAS stellt ein von ihr entwickeltes Modell vor, aber Parai führt auch ihre eigene experimentelle Arbeit mit Gesteinsproben in ihrem Hochtemperatur-Isotopen-Geochemie-Labor an der Washington University durch. Sie untersucht Edelgasisotope – insbesondere die von Xe – in Vulkangestein, um die Entwicklung der Zusammensetzung des Erdmantels zu verstehen, und in terrestrischem Gestein an der Erdoberfläche, um die Entwicklung der Atmosphäre zu sehen.

„In meinem Labor“, sagte Parai, „nehmen wir natürliche Gesteinsproben – hauptsächlich modernes Vulkangestein, aber auch einige alte Gesteine ​​–und wir versuchen zu verstehen verschiedene Dinge über die Erdgeschichte. Insbesondere wollen wir wissen, wie die Erde zu ihrer Atmosphäre, ihren Ozeanen und anderen Merkmalen im Zusammenhang mit der Bewohnbarkeit gekommen ist.“