19.09.2019 - Westfälische Wilhelms-Universität Münster

Geochemiker messen neue Zusammensetzung des Erdmantels

Wie ist das Innere der Erde chemisch aufgebaut? Da es nicht möglich ist, mehr als etwa zehn Kilometer tief in die Erde zu bohren, sind es häufig vulkanische Gesteine, die darüber Aufschluss geben. Geochemiker der Universitäten Münster und Amsterdam haben sich die vulkanischen Schmelzen, die die portugiesische Inselgruppe der Azoren aufbauen, genauer angesehen. Ihr Ziel war es, daraus Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Erdmantels zu ziehen, also die Schicht zwischen etwa 30 und 2.900 Kilometern tief im Erdinneren. Mithilfe eines spezialisierten Verfahrens fanden sie jetzt heraus, dass das untersuchte Material anders zusammengesetzt ist als bisher gedacht: Große Teile enthalten viel weniger sogenannte inkompatible Elemente – das sind die chemischen Elemente, die sich durch stetiges Schmelzen des Erdmantels bevorzugt in der Erdkruste anreichern, der äußersten Schale der Erde.

Die Wissenschaftler folgern, dass über die Erdgeschichte hinweg ein größerer Teil des Erdmantels aufgeschmolzen ist und letztendlich die Erdkruste gebildet hat als bisher angenommen. „Um die Stoffbilanz zwischen Erdinnerem und Erdkruste aufrecht zu erhalten, muss deshalb auch der Materialtransfer zwischen der Erdoberfläche und dem Inneren der Erde höher sein als gedacht“, betont Studienleiter Prof. Dr. Andreas Stracke von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU).

Da das Material unter den Azoren aus sehr tiefen Regionen des Erdmantels aufsteigt, es aber auch Hinweise darauf gibt, dass besonders der obere Teil des Erdmantels ähnlich zusammengesetzt ist, könnten die Ergebnisse auf weite Teile des Erdmantels übertragbar sein. „Unsere Ergebnisse öffnen ein neues Fenster, denn wir müssen die Zusammensetzung des größten Teils der Erde überdenken. Immerhin macht der Erdmantel mehr als 80 Prozent des Erdvolumens aus“, fügt Andreas Stracke hinzu.

Hintergrund und Methode

In ihrer Studie untersuchten die Geochemiker das Mineral Olivin und die darin eingeschlossenen Schmelzen, also Gesteine, die durch das Erstarren flüssigen Magmas entstanden sind. Die Wissenschaftler isolierten die nur wenige Mikrometer großen sogenannten Schmelzeinschlüsse, lösten sie mithilfe von chemischen Verfahren auf und trennten bestimmte chemische Elemente ab. Diese Elemente verändern sich durch radioaktiven Zerfall während ihres langen Aufenthalts im Erdinnern – vermutlich steigen sie dort bis zu 1.000 Kilometer weit auf, was mehrere hundert oder sogar mehrere tausend Millionen Jahre dauert.

Die Wissenschaftler analysierten die isotopische Zusammensetzung der Schmelzen mithilfe hochempfindlicher Massenspektrometer. Mit solchen Verfahren ist es möglich, die relative Häufigkeit von verschiedenen Atomen eines Elements, sogenannten Isotopen, zu messen. „Durch eine hohe Ausbeute bei der Messung waren wir in der Lage, die Isotopenzusammensetzung von einem milliardstel Gramm des Elements zu bestimmen“, sagt Co-Autor Dr. Felix Genske vom Institut für Mineralogie an der WWU, der den Großteil der methodischen Arbeit übernahm. Auf diese Weise erhielten die Forscher indirekt Auskunft über die Zusammensetzung des Materials im Erdmantel: Die isotopischen Untersuchungen ergaben, dass das Material viel weniger von den seltenen Erdelementen Samarium und Neodymium, aber auch chemisch ähnlichen Elementen wie zum Beispiel Thorium und Uran enthielt als bisher angenommen.

„Anhand von ähnlichen geochemischen Daten in anderen vulkanischen Gesteinen, zum Beispiel aus Hawaii, schließen wir, dass auch andere Teile des Erdmantels einen größeren Anteil an Material enthalten, das ungewöhnlich stark an inkompatiblen Elementen verarmt ist“, sagt Andreas Stracke. Die Forscher vermuten, dass dieses globale Defizit im Erdmantel dadurch kompensiert wird, dass mehr Erdkruste mit einem hohen Gehalt an inkompatiblen Elementen zurück in den Erdmantel recycelt wird als bisher angenommen.
In zukünftigen Studien wollen die Wissenschaftler ihr Verfahren anhand weiterer Proben und in anderen Regionen der Erde testen, um ihre Ergebnisse zu überprüfen und ihre Arbeitshypothese zu untermauern.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Geochemie
  • geochemische Analytik
  • chemische Elemente
  • Isotopenanalytik
Mehr über WWU Münster
  • News

    Forscher zeigen: Chirale Oxid-Katalysatoren richten Elektronenspin aus

    Die Kontrolle des Eigendrehimpulses (Spins) von Elektronen eröffnet künftige Anwendungsszenarien in der spinbasierten Elektronik (Spintronik), beispielsweise zur Informationsverarbeitung. Außerdem bietet sie neue Möglichkeiten, die Selektivität und Effizienz von chemischen Reaktionen zu kon ... mehr

    Neues Verfahren korreliert atomare Mikroskopie mit der Funktion von Einzelatomkatalysatoren

    Brennstoffzellen wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrischen Strom und Wärme um. Sie werden unter anderem in der Fahrzeugentwicklung, in der Luft- und Raumfahrt oder zur nachhaltigen Energieversorgung eingesetzt. Bei der Energieumwandlung spielt die katalytische Reduktion von Sauerst ... mehr

    Licht als Werkzeug für die Synthese komplexer Moleküle

    Einen neuartigen und unkomplizierten Weg zur Herstellung komplexer organischer Moleküle haben Chemiker der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster entwickelt. Milde Reaktionsbedingungen, ein einfacher Betrieb, Skalierbarkeit und die Verwendung eines preiswerten und handelsüblichen ... mehr

  • q&more Artikel

    Löwenzahn als neue Rohstoffquelle für Naturkautschuk

    Mehr als 12.500 Pflanzen produzieren Latex, einen farblosen bis weißen Milchsaft, der unter anderem Naturkautschuk enthält. mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Dirk Prüfer

    Dirk Prüfer, Jahrgang 1963, studierte Biologie an der Universität zu Köln und promovierte am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtung. Seine Habilitation legte er im Jahr 2004 an der Justus-Liebig-Universität Gießen ab. Seit 2004 ist er Professor für molekulare Pflanzenbiotechnologie am Ins ... mehr

    Prof. Dr. Joachim Jose

    Joachim Jose, geb. 1961, studierte Biologie an der Universität Saarbrücken, wo er promovierte. Die Habilitation erfolgte am Institut für Pharma­zeutische und Medizinische Chemie der Universität des Saarlandes. Von 2004 bis 2011 war Professor für Bioanalytik (C3) an der Heinrich-Heine-Univer ... mehr