Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass sich die mysteriöse D-Schicht an der Kern-Mantel-Grenze der Erde möglicherweise aus den Überresten eines frühen massiven Einschlags gebildet hat, wobei eisenreiches Peroxid eine Schlüsselrolle für ihre einzigartigen und dauerhaften Eigenschaften spielt.

Tief im Inneren der Erde befindet sich eine mysteriöse Schicht namens D-Schicht. Diese Region befindet sich in einer Tiefe von etwa 3.000 Kilometern und liegt über der Grenze zwischen dem geschmolzenen äußeren Kern des Planeten und seinem festen Mantel. Im Gegensatz zu einer perfekten Kugel ist die „D“-Schicht überraschend unvollständig. Seine Dicke variiert stark von Ort zu Ort, und in manchen Gebieten fehlt sogar überhaupt eine „D“-Schicht – so wie sich Kontinente über die Ozeane der Erde erheben. Diese interessanten Unterschiede haben die Aufmerksamkeit von Geophysikern erregt, die Schicht D als heterogenes oder ungleichmäßiges Gebiet beschrieben haben.

Eine neue Studie unter der Leitung von Dr. Qingyang Hu (High Pressure Science and Advanced Technology Research Center) und Dr. Jie Ding (Princeton Universität) weist darauf hin, dass Schicht D möglicherweise aus der Frühzeit der Erde stammt. Ihre Theorie basiert auf der Giant-Impact-Hypothese, die a MarsEin großes Objekt kollidierte mit der Proto-Erde und erzeugte in der Folge einen weltweiten Magma-Ozean. Sie glauben, dass Schicht D eine einzigartige Zusammensetzung der Überreste dieses massiven Einschlags sein könnte und möglicherweise Hinweise auf die Entstehung der Erde enthält.

Wasser im Magma-Ozean

Dr. Jie Ding weist auf das Vorhandensein großer Wassermengen in diesem globalen Magma-Ozean hin. Der genaue Ursprung dieses Wassers bleibt umstritten, da verschiedene Theorien vorgeschlagen wurden, darunter seine Entstehung durch Wechselwirkungen zwischen Nebelgas und Magma oder die direkte Lieferung durch Kometen. „Die vorherrschende Ansicht ist, dass sich das Wasser beim Abkühlen auf den Boden des Magmaozeans konzentrierte“, fährt Dr. Ding fort. Im Endstadium könnte das Magma, das dem Kern am nächsten liegt, ähnliche Wassermengen enthalten wie die heutigen Ozeane der Erde.

Die extremen Druck- und Temperaturbedingungen im unteren Magmaozean hätten eine einzigartige chemische Umgebung geschaffen und unerwartete Wechselwirkungen zwischen Wasser und Mineralien gefördert. „Unsere Forschung legt nahe, dass dieser wässrige Magma-Ozean zur Bildung einer eisenreichen Phase namens Eisen-Magnesium-Peroxid beigetragen hat“, erklärt Dr. Qingyang Hu. Dieses Peroxid mit der Formel (Fe, Mg)O2 bevorzugt Eisen stärker als andere Hauptbestandteile, die im unteren Erdmantel zu erwarten sind. „Unseren Berechnungen zufolge hätte die Bindung an Eisen zur Ansammlung von Eisenperoxid in Schichten von mehreren bis mehreren Dutzend Kilometern Dicke führen können.

Bildung einer heterogenen Struktur an den Grenzen des Erdkernmantels. Bildnachweis: China Science Press

Das Vorhandensein einer eisenreichen Peroxidphase würde die Mineralzusammensetzung der D-Schicht verändern und von unserem derzeitigen Verständnis abweichen. Nach dem neuen Modell würden die Mineralien in D von einer neuen Gruppe dominiert werden: eisenarme Silikate, eisenreiche Peroxide (Fe, Mg) und eisenarme Oxide (Fe, Mg). Dieses von Eisen dominierte Peroxid weist außerdem niedrige seismische Geschwindigkeiten und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, was es zu einem wahrscheinlichen Kandidaten für die Erklärung der einzigartigen geophysikalischen Merkmale der Schicht D macht. Zu diesen Merkmalen gehören Regionen mit extrem niedriger Geschwindigkeit und hochleitfähige Schichten, die beide zum Bekannten beitragen kompositorische Heterogenität der Schicht D.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass eisenreiches Peroxid, das aus altem Wasser im Magma-Ozean gebildet wurde, eine entscheidende Rolle bei der Bildung der heterogenen Strukturen der D-Schicht spielte“, sagte Qingyang. Die starke Affinität dieses Peroxids zu Eisen erzeugt einen starken Kontrast in der Dichte zwischen diesen eisenreichen Flecken und dem umgebenden Mantel. Im Wesentlichen fungiert es als Isolator, der verhindert, dass sie sich vermischen, und möglicherweise die langfristige Heterogenität erklärt, die an der Basis des unteren Mantels beobachtet wird. „Dieses Modell stimmt gut mit den jüngsten numerischen Modellierungsergebnissen überein, was darauf hindeutet, dass die Heterogenität des unteren Erdmantels ein langfristiges Merkmal sein könnte“, fügte Ji hinzu.

Referenz: „Die Kern-Mantel-Grenze der Erde entsteht durch Kristallisation eines Wasserozeans aus terrestrischem Magma“ von Qingyang Hu, Ji Ding, Yucai Zhuang, Zhenzhong Yang und Rong Huang, 13. Mai 2024, National Science Review.
doi: 10.1093/nsr/nwae169