Leichte Elemente im Erdkern

In 2900 Kilometer Tiefe beginnt der äußere, feste Erdkern, der vor allem aus Eisen und zu einem geringeren Anteil aus Nickel besteht. Doch seismische Daten deuten darauf hin, dass sich auch leichtere Elemente im Erdkern befinden müssen. Intensiv diskutieren Geowissenschaftler, welche Elemente das sein könnten. Mit einer speziellen Isotopenanalyse lieferten nun Geophysiker neue Hinweise auf diese leichten Elemente. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, ließen sich damit noch ungeklärte Fragen zur geochemischen Entwicklung der Erde klären.

Schematischer Schalenaufbau der Erde: In einer halbierten Erde befindet sich ein heller Erdkern, eingefasst von drei Schalen, die je nach Temperatur innen sehr hell und außen dunkel dargestellt sind.
Schematischer Schalenaufbau der Erde

„Noch immer gibt uns das Innere der Erde Rätsel auf, die wir nicht verstehen“, sagt Anat Shahar vom Geophysical Laboratory der Carnegie Institution for Science in Washington, USA. Gemeinsam mit Kollegen entwickelte sie ein Laborexperiment, mit dem sie das Verhalten von Eisen unter extrem hohen Drücken von etwa 60 Gigapascal untersuchten. Ziel dieser Versuche war es zu entschlüsseln, mit welchen leichteren Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff Eisen während der Bildung des Erdkerns Verbindungen eingehen konnte.

Von großer Bedeutung war dabei ein spezieller Effekt, den die Forscher Isotopenfraktionierung nennen. Dabei reagieren verschiedene Eisenisotope abhängig von ihrem Atomgewicht und den hohen Drücken etwas unterschiedlich mit anderen, leichteren Elementen. Da während der Bildungsphase des Erdkerns, Eisen und Eisenverbindungen aus dem Erdmantel in die Tiefe wanderten, müssten Gesteinsproben aus dem Erdmantel eine spezifische Isotopensignatur aufweisen, die dieser Isotopenfraktionierung entsprechen.

In einer Diamantpresszelle setzten Shahar und Kollegen nun verschiedene Eisenverbindungen hohen Drücken aus. Dabei zeigte sich, dass sich die Bildungsraten verschiedener Eisenisotope mit Wasserstoff oder Kohlenstoff geringfügig voneinander unterschieden. Folglich müsste sich dieser Isotopeneffekt auch in den Gesteinsproben aus dem Erdmantel wiederspiegeln. Dies war allerdings nicht der Fall. So konnten die Forscher zumindest ausschließen, dass Wasserstoff und Kohlenstoff zu den leichteren Elementen im Erdkern zählten.

Nun gilt es, weitere Eisenverbindungen auf ähnliche Weise zu überprüfen. Als mögliche Kandidaten für die leichten Elemente im Erdkern zählen die Forscher Sauerstoff, Silizium und Schwefel auf. Zukünftige Experimenten könnten nun zeigen, welche dieser Elemente im Lauf der Erdgeschichte unter hohen Drücken Verbindungen mit Eisen eingingen, um sich im Erdkern anzusammeln.