Diamanten und Rost an der Kern-Mantel-Grenze der Erde

Stahl rostet durch Wasser und Luft auf der Erdoberfläche. Aber was ist tief im Inneren der Erde?

Der Erdkern ist der größte Kohlenstoffspeicher der Erde – ungefähr 90 % sind dort begraben. Wissenschaftler haben gezeigt, dass die ozeanische Kruste, die auf tektonischen Platten sitzt und durch Subduktion ins Innere fällt, wasserhaltige Mineralien enthält und manchmal bis zur Kern-Mantel-Grenze absinken kann. Die Temperatur an der Kern-Mantel-Grenze ist mindestens doppelt so heiß wie Lava und hoch genug, dass Wasser aus den wasserhaltigen Mineralien freigesetzt werden kann. Daher könnte an der Erdkern-Mantel-Grenze eine chemische Reaktion ähnlich wie beim Rosten von Stahl auftreten.

Byeongkwan Ko, ein kürzlich promovierter Doktorand der Arizona State University. Absolvent und seine Mitarbeiter veröffentlichten ihre Ergebnisse zur Kern-Mantel-Grenze in Geophysikalische Forschungsbriefe. Sie führten Experimente an der Advanced Photon Source im Argonne National Laboratory durch, wo sie eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung und Wasser zusammen auf den Druck und die Temperatur komprimierten, die an der Kern-Mantel-Grenze der Erde erwartet werden, wodurch die Eisen-Kohlenstoff-Legierung schmolz.

Die Forscher fanden heraus, dass Wasser und Metall reagieren und Eisenoxide und Eisenhydroxide bilden, genau wie beim Rosten an der Erdoberfläche. Sie fanden jedoch heraus, dass für die Bedingungen an der Kern-Mantel-Grenze Kohlenstoff aus der flüssigen Eisen-Metall-Legierung austritt und Diamant bildet.

„Die Temperatur an der Grenze zwischen dem Silikatmantel und dem metallischen Kern in 3.000 km Tiefe erreicht etwa 7.000 F, was für die meisten Mineralien ausreichend hoch ist, um das in ihren atomaren Strukturen eingeschlossene H2O zu verlieren“, sagte Dan Shim, Professor an der ASU School of Erd- und Weltraumforschung. „Tatsächlich ist die Temperatur hoch genug, dass einige Mineralien bei solchen Bedingungen schmelzen sollten.“

Da Kohlenstoff ein eisenliebendes Element ist, wird erwartet, dass im Kern erheblicher Kohlenstoff vorhanden ist, während angenommen wird, dass der Mantel relativ wenig Kohlenstoff enthält. Wissenschaftler haben jedoch herausgefunden, dass im Mantel viel mehr Kohlenstoff vorhanden ist als erwartet.

„Bei den Drücken, die für die Kern-Mantel-Grenze der Erde erwartet werden, scheint das Legieren von Wasserstoff mit flüssigem Eisenmetall die Löslichkeit anderer leichter Elemente im Kern zu verringern“, sagte Shim. „Daher nimmt die Löslichkeit von Kohlenstoff, der wahrscheinlich im Erdkern vorhanden ist, lokal dort ab, wo Wasserstoff aus dem Mantel (durch Dehydration) in den Kern eintritt. Die stabile Form von Kohlenstoff bei den Druck-Temperatur-Bedingungen der Erdkern-Mantel-Grenze ist Diamant . Der Kohlenstoff, der aus dem flüssigen äußeren Kern entweicht, würde also zu Diamant werden, wenn er in den Mantel eintritt.“

„Kohlenstoff ist ein essentielles Element für das Leben und spielt eine wichtige Rolle bei vielen geologischen Prozessen“, sagte Ko. „Die neue Entdeckung eines Kohlenstoffübertragungsmechanismus vom Kern zum Mantel wird Licht auf das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs im tiefen Inneren der Erde werfen. Dies ist umso spannender, als die Diamantbildung an der Kern-Mantel-Grenze gewesen sein könnte seit dem Beginn der Subduktion auf dem Planeten Milliarden von Jahren andauern.“

Die neue Studie von Ko zeigt, dass Kohlenstoff, der durch diesen Diamantbildungsprozess aus dem Kern in den Mantel austritt, möglicherweise genug Kohlenstoff liefert, um die erhöhten Kohlenstoffmengen im Mantel zu erklären. Ko und seine Mitarbeiter sagten auch voraus, dass diamantreiche Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze existieren können und dass seismische Studien die Strukturen entdecken könnten, da sich seismische Wellen für die Strukturen ungewöhnlich schnell ausbreiten sollten.

„Der Grund, warum sich seismische Wellen außergewöhnlich schnell durch diamantreiche Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze ausbreiten sollten, liegt darin, dass Diamant extrem inkompressibel und weniger dicht als andere Materialien an der Kern-Mantel-Grenze ist“, sagte Shim.

Ko und sein Team werden weiterhin untersuchen, wie die Reaktion auch die Konzentration anderer leichter Elemente im Kern wie Silizium, Schwefel und Sauerstoff verändern kann und wie sich solche Veränderungen auf die Mineralogie des tiefen Mantels auswirken können.