Warum schwere Metalle nicht alle in den Erdkern gesunken sind 18.10.2023, 10:35 Uhr

Yale-Forschende lüften Geheimnis des Goldes

Geophysiker ringen seit Jahrzehnten mit der Frage, wie wertvolle und vor allem schwere Edelmetalle in der Nähe der Erdoberfläche bleiben konnten. Forschende haben nun möglicherweise eine Antwort gefunden: Uralte Einschläge brachten Gold, Platin und Co. auf unseren Planeten und ein Magmaozean schloss die Metalle ein.

Gold

Dass wir überhaupt Gold in der Nähe der Erdoberfläche finden können, grenzt fast an ein Wunder. Oder doch nicht? Forschende haben das Rätsel gelöst.

Foto: Panthermedia.net/AntonMatyukha

In der Erdkruste und im Erdmantel dürfte es eigentlich kein Gold, Platin oder andere schwere Metalle geben. Diese wertvollen Elemente sollten längst in den tiefsten Teil der Erde, den Erdkern, abgesunken sein. Doch warum ist das nicht geschehen? Forschende der Yale University und des Southwest Research Institute könnten nun eine Antwort auf diese Frage gefunden haben. Ihren Erkenntnissen zufolge ist dafür eine komplexe Kombination von Faktoren verantwortlich: Frühe kosmische Einschläge auf der jungen Erde, halbgeschmolzenes Gestein und die Konvektion im Erdmantel könnten gemeinsam dafür gesorgt haben, dass diese edlen Metalle nahe an der Oberfläche geblieben sind, anstatt bis in den tiefsten Erdkern vorzudringen.

Edelmetalle haben eine aufregende Reise hinter sich

Die wertvollen Metalle in unserem Schmuck, in der Computerelektronik, und sogar in unseren OLEDs, wie Gold, Platin und Iridium, haben eine faszinierende und bewegte Geschichte. Ursprünglich entstanden sie aus der Verschmelzung von Neutronensternen, die in gewaltigen Kilonova-Explosionen endeten.

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Anschließend wurden die Edelmetalle Teil einer riesigen Molekülwolke, die aus Gas und Staub bestand und schließlich vor Milliarden von Jahren unser Sonnensystem hervorbrachte. Als die Erde sich formte, waren diese kostbaren Elemente bereits in ihrer Zusammensetzung enthalten. Sie gehören zu den hochsiderophilen Elementen (HSEs), was bedeutet, dass sie eine starke Affinität zu Eisen haben. Neben Gold, Iridium und Platin gehören auch Osmium, Palladium, Rhenium, Rhodium und Ruthenium zu dieser Gruppe.

Eine beträchtliche Menge dieser Edelmetalle aus den frühen Tagen unseres Sonnensystems ist im dichten Eisen des Erdkerns eingeschlossen. Man könnte annehmen, dass alle späteren Metalleinschläge ebenfalls dazu geführt hätten, dass diese Edelmetalle in den Kern abgesunken wären. Glücklicherweise ist das jedoch nicht der Fall. Und es gibt jetzt sogar vielleicht eine Erklärung dafür.

Theia brachte die Edelmetalle auf die Erde

Wie konnten die für uns heute so wertvollen Edelmetalle in der Nähe der Erdoberfläche bleiben? Dank der Arbeit von Jun Korenaga, einem Professor für Geophysik an der Yale University, und Simone Marchi, einem Planetenforscher am Southwest Research Institute in Colorado könnte es auf diese Frage, die Generationen von Geophysiker beschäftigte, endlich eine Antwort geben.

Nach der Bildung des Großteils der Erde wurde unser Planet mehrmals von Protoplaneten kollidiert. Eine dieser Kollisionen, bei der ein Objekt von der Größe des Mars (bekannt als Theia) beteiligt war, führte zur Bildung von Trümmern, aus denen schließlich der Mond entstand. Die meisten Überreste von Theia und anderen Protoplaneten wurden jedoch von der wachsenden Erde „verschluckt“. Und mit ihnen wertvolle Edelmetalle.

Computermodelle helfen bei der Erklärung

Nachdem Theia seine wertvolle Fracht auf die Erde gebracht hatte, passierte etwas eigentlich Unerklärliches. Anstatt jedoch in den Erdkern zu versinken, wo sie sich mit dem Eisen vermischen könnte, wurden diese hochsiderophilen Elemente (HSEs) im Erdmantel eingeschlossen, was ihnen ermöglichte, leichter an die Oberfläche zu gelangen.

Diese bereits bekannten Ereignisse werfen jedoch die Frage auf, wie genau diese Metalle im Erdmantel eingeschlossen wurden. Die Antwort auf diese Frage könnte nun dank der fortschrittlichen Computermodelle von Korenaga und Marchi gefunden worden sein. „Unsere Forschung ist ein gutes Beispiel dafür, dass man eine unerwartete Entdeckung machen kann, nachdem man konventionelle Weisheiten überprüft hat“, so Korenaga in einer Erklärung.

Was nach den Einschlägen passierte

Das Modell von Korenaga und Marchi veranschaulicht den Ablauf nach den großen Einschlägen in der frühen Geschichte der Erde. Dabei bildete sich ein riesiger Magma-Ozean innerhalb der Lithosphäre, die sowohl die Erdkruste als auch den oberen Erdmantel umfasst. Die Edelmetalle begannen, durch diesen Magma-Ozean zu sinken, bis sie eine teilweise geschmolzene Übergangsschicht erreichten.

Dieser Prozess verlangsamte den Abstieg der Metalle, was wiederum dazu führte, dass der untere Erdmantel auskühlen und sich verfestigen konnte, bevor die hochsiderophilen Elemente (HSEs) in den Erdkern gelangen konnten. Eingefangen im Erdmantel, waren die HSEs dann den Auswirkungen der Konvektion durch thermische Strömungen aus dem heißen Erdkern ausgesetzt. Diese Strömungen bewegen die Edelmetalle bis heute durch die Erde und transportieren sie schließlich an die Oberfläche.

„Diese Übergangsregion bildet sich fast immer, wenn ein großer Impaktor auf die frühe Erde trifft, was unsere Theorie recht robust macht“, sagt Marchi.

Noch Spuren von uralten Einschlägen vorhanden

Obwohl diese Ereignisse vor etwa 4,5 Milliarden Jahren stattfanden, sind die Spuren der damaligen Einschläge und der daraus resultierenden Übergangsregionen noch immer vorhanden. Sie manifestieren sich in Form von zwei gewaltigen „Regionen mit niedriger Schergeschwindigkeit“ (Low Shear Velocity Provinces, LLSVPs), die als bemerkenswerte geophysikalische Anomalien im tiefen Erdmantel unter den Regionen Afrikas und dem Pazifik existieren.

Wenn Wissenschaftler diese LLSVPs als „groß“ bezeichnen, ist das keineswegs übertrieben: Sie erstrecken sich seitlich über Tausende von Kilometern und vertikal über mehr als 1.000 Kilometer, beginnend an der Grenze zwischen dem Mantel und dem Erdkern. Dabei nehmen bis zu neun Prozent des gesamten Erdvolumens ein.

Lassen sich damit auch Mantel-Anomalien erklären?

Ein weiterer der Aspekt dieser Simulationen besteht darin, dass sie möglicherweise zur Lösung eines anderen geologischen Rätsels beitragen könnten. Seismologische Daten zeigen im unteren Erdmantel, direkt oberhalb der Grenze zwischen dem Erdkern und dem Mantel, das Vorhandensein mehrerer markanter Anomalien. Diese Regionen zeichnen sich durch eine höhere Dichte und einen höheren Metallgehalt aus als der Rest des Erdmantels.

Die Quelle dieser Metallanreicherungen war bisher ein Rätsel, das Geowissenschaftler vor einige Herausforderungen stellte. Es wurden verschiedene Ursachen in Betracht gezogen, darunter mögliche Lecks im Erdkern, aber auch frühe Einschläge und andere geologische Prozesse aus der Frühzeit unseres Planeten.

Wenn das von Marchi und Korenaga entwickelte Szenario zutrifft, könnten diese tiefen Mantelanomalien tatsächlich die Überreste der metallreichen Übergangsregionen sein, die bei den frühen Einschlägen entstanden sind und dann in die Tiefen des Mantels abgesunken sind. Dies würde bedeuten, dass die Studie einen konkreten und quantitativen Mechanismus für den Ursprung dieser großen „Low-Shear-Velocity-Provinzen“ im unteren Erdmantel liefert, wie die Forscher feststellen.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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