Wie der Erdmantel immense Mengen Kohlenstoff speichert

Es ist bekannt, dass im Erdmantel riesige Mengen Kohlenstoff gespeichert sind, viele Zehnerpotenzen mehr als in der Erdatmosphäre, den Ozeanen und der äußeren Erdkruste zusammengenommen. Wie der Kohlenstoff im Erdmantel gespeichert wird, war lange Zeit umstritten. Ihre Forschungsergebnisse zur Löslichkeit von Kohlenstoff in Mineralen des Erdmantels haben die Tübinger Wissenschaftler Prof. Hans Keppler und Syvatoslav Shcheka vom Institut für Geowissenschaften zusammen mit einem Wissenschaftler des Geoforschungszentrums Potsdam jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht (Nature, Band 424, Seiten 414-416, 24. Juli 2003). Die Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs.

Man findet häufig in Gesteinsbruchstücken, so genannten Xenolithen, die bei Vulkanausbrüchen aus dem Erdmantel an die Oberfläche transportiert wurden, winzige Einschlüsse mit Kohlendioxid. Daher rührte die Vorstellung, dass Kohlenstoff in Silikaten bei sehr hohem Druck lösbar sei. In Experimenten haben Hans Keppler und Syvatoslav Shcheka nachgewiesen, dass dies nicht der Fall ist. In Olivin, einem Silikatmineral und Hauptbestandteil des oberen Erdmantels, ist Kohlenstoff auch bei sehr hohem Druck nur in außerordentlich geringer Menge lösbar. Der größte Teil des Kohlenstoffs im Erdmantel muss daher in Form von Karbonaten vorliegen.

Kohlenstoff ist in bereits bestehende Kristalle des Magnesium-Eisen-Silikats Olivin kaum einzubringen. Die Tübinger Forscher haben daher im Experiment neue Olivinkristalle aus einer kohlenstoffgesättigten Karbonatschmelze bei sehr hohem Druck und hohen Temperaturen von 1200 Grad Celsius – ähnlich den Verhältnissen im Erdmantel – gezüchtet. Ausgangsstoffe waren Magnesium- und Siliciumoxid sowie Natriumkarbonat. Der in den Experimenten verwendete Kohlenstoff bestand aus dem in der Natur seltenen Isotop 13-C. Hierdurch konnten auch sehr kleine Konzentrationen von Kohlenstoff im Olivin noch gemessen werden, da mögliche Verunreinigungen sich vom tatsächlich in der Probe eingebauten Kohlenstoff durch ihre Isotopenzusammensetzung unterscheiden ließen.

Keppler und Shcheka folgern, dass ihre Untersuchungen aufschlussreich für die Erforschung der Dynamik des globalen Kohlenstoffkreislaufes sind – der durch den globalen Anstieg der Kohlendioxidwerte durch menschliche Einflüsse in der Diskussion ist. Wenn der Kohlenstoff des Erdmantels in Olivin gelöst wäre, könnte er bei normalen Schmelzprozessen in der Erde nicht so leicht an die Oberfläche gelangen. So scheint es beim Wasserstoff zu sein: Da es kaum einen Austausch zwischen dem Erdmantel und dem Wasser auf der Erdoberfläche gibt, hat sich das Volumen der Ozeane über die vergangenen drei Milliarden Jahre kaum geändert. Anders ist es beim Kohlenstoff, von dem bekannt ist, dass er leicht mobilisiert werden kann, wenn er in Form von Karbonaten vorliegt. Schwere Vulkanausbrüche, die einen Karbonat-haltigen Speicher im Erdmantel berühren, könnten daher schnell riesige Mengen Kohlendioxid in die Erdatmosphäre transportieren. In der Erdgeschichte gibt es zahlreiche globale Aussterbeereignisse, die praktisch genau zeitgleich sind mit gigantischen Flutbasalteruptionen. Hierher gehört beispielsweise das Aussterbeereignis am Ende des Erdaltertums vor etwa 250 Millionen Jahren, welches genau zur gleichen Zeit erfolgte wie die Eruption der Sibirischen Flutbasalte. Zumindest für das etwas schwächeren Aussterbeereignis an der Trias-Jura-Grenze von etwa 200 Millionen Jahren gibt es direkte Hinweise auf einen schlagartigen Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxidgehaltes aus Untersuchungen an fossilen Pflanzen.

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Prof. Hans Keppler
Institut für Geowissenschaften
Arbeitsbereich Mineralogie und Geodynamik
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