Tief im Inneren der Erde liegt eine geheimnisvolle Schicht, die sogenannte D-Schicht. Diese Zone befindet sich in etwa 3.000 Kilometern Tiefe, direkt über der Grenze zwischen dem geschmolzenen äußeren Kern des Planeten und seinem festen Mantel.
Im Gegensatz zu einer perfekten Kugel ist die D“-Schicht überraschend fleckig. Ihre Dicke schwankt von Ort zu Ort erheblich, und in manchen Regionen fehlt sogar die D“-Schicht vollständig – ähnlich wie Kontinente sich über die Ozeane der Erde erheben. Diese faszinierenden Unterschiede haben die Aufmerksamkeit von Geophysikern erregt, die die D“-Schicht als heterogene oder ungleichmäßige Region beschreiben.
Eine neue Studie unter der Leitung von Dr. Qingyang Hu (Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research) und Dr. Jie Deng (Princeton University) legt nahe, dass die D“-Schicht möglicherweise aus der Frühzeit der Erde stammt. Ihre Theorie basiert auf der Giant Impact-Hypothese, die davon ausgeht, dass ein marsgroßes Objekt auf die Proto-Erde prallte und in der Folge einen planetenweiten Magmaozean schuf. Sie glauben, dass die D“-Schicht eine einzigartige Zusammensetzung aufweisen könnte, die von diesem kolossalen Aufprall übrig geblieben ist und möglicherweise Hinweise auf die Entstehung der Erde enthält.
Das Papier ist veröffentlicht im Journal Nationale Wissenschaftsüberprüfung.
Dr. Jie Deng betont, dass in diesem globalen Magmaozean eine beträchtliche Menge Wasser vorhanden ist. Der genaue Ursprung dieses Wassers ist nach wie vor Gegenstand von Debatten. Es wurden verschiedene Theorien aufgestellt, darunter die, dass es durch Reaktionen zwischen Nebelgas und Magma oder durch direkte Einbringung durch Kometen entstanden sei.
„Die vorherrschende Meinung“, fährt Dr. Deng fort, „legt nahe, dass sich Wasser beim Abkühlen am Boden des Magmaozeans konzentrierte. Im Endstadium könnte das Magma, das dem Kern am nächsten war, Wassermengen enthalten haben, die mit den heutigen Ozeanen der Erde vergleichbar sind.“
Die extremen Druck- und Temperaturbedingungen im unteren Magmaozean hätten eine einzigartige chemische Umgebung geschaffen, die unerwartete Reaktionen zwischen Wasser und Mineralien begünstigte. Dr. Qingyang Hu erklärt: „Unsere Forschung legt nahe, dass dieser wasserhaltige Magmaozean die Bildung einer eisenreichen Phase namens Eisen-Magnesium-Peroxid begünstigte.“
Dieses Peroxid mit der Formel (Fe,Mg)O2 weist im Vergleich zu anderen Hauptbestandteilen, die im unteren Erdmantel zu erwarten sind, eine noch stärkere Vorliebe für Eisen auf. „Nach unseren Berechnungen könnte seine Affinität zu Eisen zur Ansammlung von eisendominiertem Peroxid in Schichten von mehreren bis zu Dutzenden Kilometern Dicke geführt haben“, fügen die Forscher hinzu.
Die Anwesenheit dieser eisenreichen Peroxidphase würde die Mineralzusammensetzung der D“-Schicht verändern und von unserem derzeitigen Verständnis abweichen. Dem neuen Modell zufolge würden die Minerale in D“ von einer neuen Zusammensetzung dominiert: dem eisenarmen Silikat, dem eisenreichen (Fe, Mg) Peroxid und dem eisenarmen (Fe, Mg) Oxid.
Dieses eisenhaltige Peroxid weist außerdem niedrige seismische Geschwindigkeiten und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, was es zu einem möglichen Kandidaten für die Erklärung der einzigartigen geophysikalischen Merkmale der Schicht D“ macht. Zu diesen Merkmalen gehören Zonen mit extrem niedriger Geschwindigkeit und Schichten mit hoher Leitfähigkeit, die beide zur bekannten Heterogenität der Zusammensetzung der Schicht D“ beitragen.
„Unsere Ergebnisse lassen darauf schließen, dass eisenreiches Peroxid, das aus dem urzeitlichen Wasser des Magmaozeans entstand, eine entscheidende Rolle bei der Bildung der heterogenen Strukturen der D-Schicht gespielt hat“, sagte Qingyang. Die starke Affinität dieses Peroxids zu Eisen erzeugt einen starken Dichtekontrast zwischen diesen eisenreichen Stellen und dem umgebenden Mantel.
Im Wesentlichen fungiert es als Isolator, der verhindert, dass sie sich vermischen, und möglicherweise die lang anhaltende Heterogenität erklärt, die an der Basis des unteren Mantels beobachtet wird. Jie fügte hinzu: „Dieses Modell passt gut zu den jüngsten Ergebnissen numerischer Modellierung, was darauf hindeutet, dass die Heterogenität des untersten Mantels ein langlebiges Merkmal sein könnte.“
Mehr Informationen:
Qingyang Hu et al., Die Kern-Mantel-Grenze der Erde, geformt durch die Kristallisation eines wasserhaltigen terrestrischen Magmaozeans, Nationale Wissenschaftsüberprüfung (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae169