Ist der Erdkern undicht?

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Vulkane befördern Lava aus dem Erdmantel an die Erdoberfläche. Diese Lava erstarrt zu Basalt. Basalte einiger Ozeaninseln liefern uns Informationen über Mantelquellen aus großer Tiefe: Erdmantelmaterial aus der Nähe der Kern-Mantel-Grenze wurde durch sogenannten Mantel Plumes in Tiefen von 50 bis 150 km transportiert und schmilzt dort auf. Chemische Untersuchungen an diesen vulkanischen Gesteinen ermöglichen Einblicke in die Zusammensetzung und Entwicklung des tiefen Erdmantels. Dafür untersuchen Forscher der Universität Köln die Elementhäufigkeiten als auch die Isotopenzusammensetzungen. Radioaktive Isotope zerfallen zu anderen radiogenen Isotopen. Zum Beispiel zerfiel die Hälfte des Isotopes ²³⁸Uran (238U) in etwa 4,5 Milliarden Jahren (Halbwertszeit) zu ²⁰⁶Blei (²⁰⁶Pb): der Anteil an ²³⁸Uran sinkt also kontinuierlich, während der des ²⁰⁶Bleis steigt. Neben dem ²³⁸U-²⁰⁶Pb System nutzt man auch weitere Isotopensysteme, wie ¹⁴⁷Sm-¹⁴³Nd (Samarium-Neodym) und ¹⁷⁶Lu-¹⁷⁷Hf (Lutetium-Hafnium).

Isotopensysteme und Erdmantelprozesse

Traditionell werden Isotopensystem zur Datierung von Gesteinen genutzt. Doch ob ein Gestein oder ein Bereich im Erdmantel viel ¹⁴⁷Sm, ¹⁷⁶Lu, und ²³⁸U besitzt und somit im Verlauf der Zeit ¹⁴³Nd, ¹⁷⁷Hf, und ²⁰⁶Pb hängt auch von unterschiedlichen geologischen Prozessen ab. Durch das das Aufschmelzen des Erdmantels, die langsame Kristallisation von Lava in der Erdkruste, oder das Mischen unterschiedlicher Laven werden die Isotopenanteile umverteilt. Die Isotopenzusammensetzung eines Gesteins ist dadurch charakteristisch für unterschiedliche Prozesse im Erdmantel und -kruste und somit können Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Erdmantels über geologische Zeiträume hinweg getroffen werden. Die Forscher können so zum Beispiel untersuchen, ob kontinentalen oder ozeanischen Kruste in die tiefere Erde recycelt wurden.

Erdkrustenrecycling und Kern-Mantel Wechselwirkungen

Josua Pakulla und Niklas Kallnik, zwei Doktoranden der Forschungsgruppe um Prof. Carsten Münker, nutzten die Isotopensysteme ¹⁸²Hf-¹⁸²W und ¹⁴⁶Sm-¹⁴²Nd mit relativ kurzen Halbwertszeiten: etwa 9 Millionen (¹⁸²Hf-¹⁸²W) und 100 Millionen Jahren (¹⁴⁶Sm-¹⁴²Nd). Dadurch ist ¹⁸²Hf nach etwa 60 Millionen Jahren vollständig zu ¹⁸²W zerfallen und nach etwa 500 Millionen Jahren ist kaum nachweisbares ¹⁴⁶Sm mehr vorhanden. Dadurch liefern diese Isotopensystem nur Informationen über den Zeitraum kurz nach der Erdbildung. Prozesse, welche diese Isotopensysteme in den ersten 60 und 500 Millionen Jahren beeinflussen können, sind z.B. die Bildung des Erdkerns, die Differenzierung des Erdmantels, oder die Bildung einer ersten Erdkruste im Erdzeitalter des Hadaikums (>4.0 Ga). Frühere Untersuchungen des Wolfram-Isotops ¹⁸²W zeigten, dass dieses Isotop in einigen Ozeaninselbasalten weniger häufig vorhanden ist als bei anderen vulkanischen Gesteinen. Es wurde vermutet, dass Wolfram aus dem ¹⁸²W-ärmeren Erdkern in den unteren Erdmantel gelangt ist und dann mit einem Mantel Plume an die Erdoberfläche gebracht wurde. Josuas und Niklas‘ neue Messungen verschiedener Isotope wie ¹⁴²Nd, ¹⁸²W, und ²⁰⁶Pb an Proben vom Dekkan-La Réunion Mantel Plume und Island legen jedoch nahe, dass auch im Erdmantel recycelte alte Erdkruste aus der Zeit kurz nach Entstehung der Erde (Hadaikum) ein Grund für die ¹⁸²W-Defizite sein kann. Wahrscheinlich werden die unterschiedlichen ¹⁸²W Isotopen in Mantel Plumes durch unterschiedliche Prozesse beeinflusst: einige durch Kern-Mantel Interaktion und andere durch in den tiefen Mantel recyceltes hadaisches Gestein.

Link zur Publikation:

Pakulla, J.J, Tusch, J., Hasenstab-Dübeler, E., Ravindran, A., Jansen, M.W., Leitzke, F.P., Gadpallu, P., Duraiswami, R.A., Münker, C.(2025). The spatio-temporal evolution of 182W and 142Nd in the Deccan-La Réunion plume. Earth and Planetary Science Letters, 653.https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119225