Eine neue Studie schreibt unser Verständnis der tiefen Kohlenstoff- und Chlorkreisläufe der Erde neu

Eine aktuelle Studie des Geowissenschaftlers Dr. Chunfei Chen von der Macquarie University wirft ein neues Licht auf geologische Prozesse bereits vor drei Milliarden Jahren und stellt einen großen Wandel im Verständnis der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die frühe Erde dar.

Kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht NaturDie Forschung untersucht die transformativen Auswirkungen der allmählichen Abkühlung der Erde auf den tiefen Kreislauf von Kohlenstoff und Chlor zwischen der Erdoberfläche und dem Erdinneren.

„Die Abkühlung der Erde hat zu massiven Veränderungen in den tiefen Kreisläufen von Kohlenstoff und Chlor geführt“, sagt Dr. Chen.

Dr. Chunfei Chen führt die experimentelle Analyse durch. Bildnachweis: Macquarie University

„Heutzutage kehrt Chlor normalerweise in vulkanischen Gasen an die Oberfläche zurück, während der größte Teil des Kohlenstoffs als feste Karbonate in Tiefen von Hunderten von Kilometern eingeschlossen ist; aber bis die Erde etwa zwei Drittel ihres heutigen Alters hatte, war das Gegenteil der Fall.“

Magma dominierte die Erdoberfläche in der frühen Zeit nach der Entstehung des Planeten, aber als der Planet allmählich abkühlte, bildeten sich auf der Oberfläche etwa 100 Kilometer dicke Krustenplatten, die im Rahmen der Plattentektonik den Erdmantel hinaufglitten.

Wenn ozeanische tektonische Platten an Subduktionszonen in den Mantel zurücksinken, könnten auch Sedimente aus subozeanischen Becken in den Mantel gedrückt worden sein.

Wissenschaftler, die das Schicksal dieser Sedimente in Hochdruckschmelzexperimenten untersuchen, haben bisher durchschnittlich alle ozeanischen Sedimente behandelt, in denen Kohlenstoff nur eine untergeordnete Komponente darstellt.

Allerdings reichert sich der größte Teil des Kohlenstoffs in Karbonatablagerungen an – bekannte Beispiele für große Gebiete mit Karbonatablagerungen an der Oberfläche sind die Kreidefelsen von Dover oder die Dolomiten in Italien – und diese verhalten sich möglicherweise anders als kleine Kohlenstofffragmente.

Ingleborough – Karbonatablagerungen bilden die Hänge von Dover, Großbritannien. Bildnachweis: Stephen Foley

Dr. Chens Team simulierte mithilfe von Hochdruckexperimenten die Subduktion von Kalkstein und Kreide und stellte fest, dass sich jeglicher Schmutz im Kalkstein zuerst auflöst, was zur Silikatschmelze führt, während die Karbonate in fester Form tiefer gedrückt werden und tiefer in den Erdmantel vordringen können.

Das Forschungsteam testete auch Bedingungen, die frühere, heißere Perioden der langen Erdgeschichte simulieren, und stellte fest, dass Kalkstein zwar schmolz, die Salze jedoch nicht in den Karbonatschmelzen, aus denen sie entstanden, gelöst wurden, sondern tiefer in den Erdmantel gedrückt wurden und nicht an die Oberfläche zurückgekehrt. So wie sie heute sind.

„Es war faszinierend zu sehen, wie das Salz und die Verunreinigungen vollständig von den Carbonaten getrennt wurden“, sagt Zweitautor der Studie, Dr. Michael Forster, der die Proben an der Harvard University analysierte. Australische Nationaluniversität.

Laut Dr. Forster gelang dem Team ein Durchbruch, als die Elektronenmikroskopie die kleinen Versuchsstadien vergrößerte und analysierte und eine Ansammlung von abgeschrecktem und Salzglas neben sauberen Calcitkristallen zeigte.

Als sie das sahen, antwortete Chunfei enthusiastisch: „Wow, interessant, das bedeutet, dass die Subduktionszonen wie ein riesiger Filter fungieren müssen, der es Salz ermöglicht, in die Tiefen der Erde einzudringen!“

Diese Forschung ist Teil eines größeren Projekts, das die tiefen Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Chlor in der Evolutionsgeschichte der Erde untersucht und vom angesehenen Professor Stephen Foley von der School of Natural Sciences der Macquarie University geleitet wird.

„Der Austausch flüchtiger Elemente wie Kohlenstoff, Chlor und Stickstoff zwischen dem tiefen Erdmantel und der Oberfläche ist der Schlüssel zur Entwicklung des Klimas, der Ozeane und allen Lebens auf der Erde“, sagt Professor Foley.

„Diese wichtige Forschung ist die erste ihrer Art, die die Subduktion großer Bereiche von Karbonatablagerungen anstelle von intermediären Sedimentgesteinen in Betracht zieht – obwohl es realistischer ist, dass große Karbonatmassen an der Plattentektonik beteiligt sind“, sagt er.

„Es ist möglich, dass diese Veränderungen im Verhalten von Chlor und Kohlenstoff im Laufe der Zeit den Salzgehalt des Meerwassers zu verschiedenen Zeiten in der Erdgeschichte beeinflussten und einen Einfluss auf die Entwicklung des Lebens auf der Erde hatten.“

Er fügt hinzu, dass diese Forschung zu einer umfassenderen Perspektive auf die Entwicklung unseres Planeten und seine empfindliche Wechselwirkung mit der Entwicklung des Lebens führen und uns helfen kann, die Bedingungen auf Planeten außerhalb unseres Planeten, wie beispielsweise unserem, zu verstehen. Mars.

Referenz: „Carbonate-Rich Crust Drives Deep Carbon-Chlorine Cycles“, von Chunfei Chen, Michael W. Forster, Stephen F. Foley und Sviatoslav S. Cheka, 9. August 2023, hier verfügbar. Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06211-4