Die Ermittlung des Mechanismus der frühzeitigen Oxidation des Erdinneren

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel J. Frost
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277057085

Eines der wichtigsten Ereignisse in der Entwicklung der Erde zu einem bewohnbaren Planeten war der schnelle Anstieg der Oxidationsstufe des Erdmantels während oder kurz nach der Kernbildung. Während der Kernbildung würde das Vorhandensein von metallischem Eisen die Sauerstofffugazität des Mantels auf ein Niveau unterhalb des Eisen-Wüstit Sauerstoffpuffers gesenkt haben. In den frühesten Gesteinsaufzeichnungen ist jedoch eine um 5 Grössenordnungen höhere Sauerstofffugazität (fo2) des Mantels dokumentiert. Die Ursache und der zeitliches Ablauf dieses Oxidationsereignisses sind nicht nur die für die Entwicklung der Atmosphäre relevant, sondern wirken sich auch entscheidend auf die frühe Differenzierung des Erdmantels sowie die Anteile an flüchtigen Elementen aus, die der frühen Erde hinzugefügt und in ihr zurückgehalten wurden. In diesem Projekt werden drei mögliche Mechanismen zur frühzeitigen Oxidation des Mantels durch Hochdruck- und -temperaturexperimente sowie Modellierungen überprüft werden. Der erste Mechanismus ist die Disproportionierung von FeO während der Kristallisation eines Magmaozeans, so dass sich Fe2O3-haltige Mineralien bildeten sowie metallisches Eisen. Der Sauerstoffgehalt des Mantels könnte sich so relativ erhöht haben, indem sich das metallische Eisen in den Kern abtrennte. Dieser Mechanismus wird durch das Messen des Fe2O3-Gehalts in Mineralen geprüft, die sich auf dem Peridotitsolidus im Gleichgewicht mit metallischem Eisen bilden. Der zweite Mechanismus ist ähnlich dem ersten, es wird jedoch vorgeschlagen, dass sich FeO schon innerhalb der Silikatschmelzen disproportioniert anstatt in den Mineralen, sowie bei niedrigeren Manteldrücken infolge der zunehmenden Stabilität von Fe2O3-Komponenten der Schmelze bei immer niedrigeren fo2 mit zunehmendem Druck. Dies wird durch die Messung der Fe2O3-Gehalte der Schmelzen geprüft, die bei kontrollierten fo2 als Funktion des Drucks bis hin zu den Bedingungen des tiefen Erdmantels equilibiert wurden. Die dritte Möglichkeit ist, dass die Akkretion von Fe2O3- oder H2O-reichem Material zur allmählichen Oxidation des Mantels führte. Dies wäre jedoch nur möglich, wenn die Kernbildung aus diesen oxidierten Bereichen weiterhin durch die Trennung einer Sulfidschmelze fortgestzt würde. Ansonsten wären sehr siderophile Elemente zu stark im Mantel angereichert worden. Diese Möglichkeit wird durch das Beschränken der Zusammensetzung der Kern-bildenden Sulfidschmelzen als Funktion der fo2 bei Drücken des Erdmantels getestet werden. Unter Verwendung dieser Ergebnisse in Modellen für Kernbildung und die Kristallisation des Magmaozeans kann dann der dominante Oxidationsmechanismus ermittelt werden. Die Folgen für die Akkretion und Speziation von volatilen Elementen in der Erde werden so bestimmt und das initiale Redox-Profil durch den hadeischen Erdmantel rekonstruiert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1833: Building a Habitable Earth
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrew Campbell