Entgegen der in den 1970er Jahren aufgestellten „Late-Veneer“-Hypothese zeigt eine aktuelle Studie, dass die Erde nach der Bildung ihres Kerns möglicherweise keine nennenswerte Zufuhr an siderophilem Material erhalten hat – also an Elementen mit einer starken chemischen Affinität zu Eisen. Das ist ein Ergebnis des DFG-geförderten GEPRIS-Forschungsprojektes „Stark siderophile Elemente: ein Fenster in die Akkretion der Erde“ (2019 -2026). Projektträger ist das Institut für Geowissenschaften (Universität Potsdam) in Kooperation mit dem Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Sorbonne Université / CNRS / Muséum national d’Histoire naturelle).
Dr. Ingrid Blanchard, die ihre Forschungen sowohl am Institut für Geowissenschaften in Potsdam als auch an der Sorbonne Université durchführte, leitete ein internationales Forscherteam, dem es gelang, diese neuen Erkenntnisse zu gewinnen. Die Wissenschaftler*innen simulierten im Labor die extremen Druck- und Temperaturbedingungen, die während der Entstehung der Erde herrschten. Die Studie ist im Journal “Science Advances" veröffentlicht (https://doi.org/10.1126/sciadv.aef0411).
Hintergrundinfos zum Projekt
Die Bildung und Differentiation der Erde in chemisch unterschiedliche Schalen hat vor ungefähr 4.5 Milliarden Jahren begonnen. Während der stärksten chemischen Fraktionierungsperiode der Erdgeschichte trennte sich der silikatische Mantel vom Fe-reichen metallischen Kern. Bei diesem Prozess wurden die Elemente gemäß ihrer Affinität für Silikate (lithophil) oder Eisen (siderophil) zwischen den beiden Reservoiren verteilt. Schon etwa 100 Millionen Jahre nach der Akkretion wurde die endgültige Zusammensetzung von Mantel und Kern erreicht. Allerdings ist der Gehalt der sog. stark siderophilen Spurenelemente (HSE) im Mantel im Widerspruch mit dem generell akzeptierten Szenario, wonach die siderophilen Elemente in den sich bildenden Kern segregierten. Sie zeigen im Mantel tatsächlich chondritische Gehalte. Chondrite sind eine Meteoritenklasse, die die Zusammensetzung der primitiven Erde abbilden sollen. Um dieses zu erklären, wurde vorgeschlagen, dass es zu einer späteren weiteren Akkretion (late veneer) durch Meteoriteneinschläge kohliger Chondrite gekommen sein muss, zu einem Zeitpunkt, bei dem die Kernbildung bereits abgeschlossen war. In diesem Prozess wurden die HSE-Gehalte des Mantels auf das heutige Niveau erhöht und diese Gehalte sind somit eine Signatur dieser späten Akkretion. In diesem späten Akkretionsprozess soll auch Wasser zur Erde hinzugefügt worden sein, eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Eine weitere Möglichkeit für die erhöhten Gehalte der HSE im Erdmantel ist, dass die Kern-Mantel-Elementverteilung stark durch die extremen Drücke und Temperaturen während der Erddifferentiation beeinflusst wurde, da hohe Drücke und/oder hohe Temperaturen die Metall-Silikat-Verteilung dieser Elemente stark beeinflusst. Dieser Effekt wurde bisher noch nie experimentell bei den entsprechenden Bedingungen der Differentiation des Planeten bestimmt.
Im Projekt wurde die Metall-Silikat-Verteilung der HSE bei den Bedingungen der Erddifferentiation durch Experimente in Laser-beheizten Diamantstempelzellen untersucht. Die Ergebnisse modernster experimenteller und analytischer Techniken wurden mit Kernbildungsmodellen kombiniert, um den Beitrag des Kernbildungsprozesses zum Budget der HSE im Mantel besser einzugrenzen und den Beitrag von späterer Akkretion in der Entwicklung des Mantels neu zu bewerten.