Bayreuth – Geowissenschafter gehen davon aus, dass etwa 90 Prozent des Kohlenstoffs der Erde tief im Erdinnern lagern. Obwohl der Transport dieses Elements in die Tiefe des Erdmantels einen zentralen Abschnitt im Kohlenstoffkreislauf darstellt, war bisher unklar, wie dies im Detail abläuft. Nun allerdings haben internationale Wissenschafter möglicherweise Licht ins Dunkel bringen können: Eisencarbonat könnte bei diesem Vorgang eine entscheidende Rolle spielen.

Wissenschafter gehen davon aus, dass der Kohlenstoff aus dem Erdinneren über den oberen Erdmantel bis in die Erdkruste und weiter in die Atmosphäre aufsteigt, und von dort wieder ins Erdinnere transportiert wird. Während dieses globalen Kreislaufs sind die Kohlenstoffatome Bestandteile der unterschiedlichsten Gase und Mineralien, die auf ihren Transportwegen eine Vielzahl chemischer Reaktionen und Umformungsprozesse durchlaufen.

Welche Prozesse an dem langen Transportweg bis in die Tiefen des unteren Erdmantels beteiligt sind, haben nun Wissenschafter am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth am Beispiel des Eisencarbonats (FeCO₃) untersucht.

Eisencarbonat unter Druck

Proben dieses Minerals wurden im Labor den Bedingungen ausgesetzt, die in rund 700 Kilometern unter der Erdoberfläche und in noch tieferen Bereichen des Erdinnern herrschen. Diamantstempelzellen erzeugten einen Druck von bis zu 100 Gigapascal – dies ist ungefähr der einmillionenfache Druck der Erdatmosphäre. Zeitgleich erhitzte ein Laserstrahl die Proben bis zu etwa 3.000 Grad Celsius.

Unter diesen Bedingungen unterzogen die Wissenschafter die Proben einer intensiven Bestrahlung mit Röntgenlicht. Die dabei entstehenden Beugungsmuster zeigten, wie sich die Kristallstrukturen des Eisencarbonats veränderten. "Es hat sich herausgestellt, dass die Kohlenstoff- und Sauerstoffatome im unteren Erdmantel neue kristalline Strukturen annehmen. Sie ordnen sich in Tetraedern an – in Strukturen, wie wir sie von Silizium- und Sauerstoffatomen in Mineralien an der Erdoberfläche kennen", erklärt Catherine McCammon vom BGI.

Ungewöhnlich stabil

Wie die Experimente ergaben, verleihen die neuen Strukturen dem Eisencarbonat eine außergewöhnliche Stabilität. Die Kohlenstoffatome bleiben darin eingeschlossen, wenn das Mineral noch tiefer in den unteren Erdmantel absinkt.

Die Wissenschafter berichten im Fachjournal "Nature Communications" noch über eine weitere Entdeckung. Unter den sehr hohen Drücken und Temperaturen des unteren Erdmantels setzt eine starke Oxidation des im Eisencarbonat enthaltenen Eisens ein. "An der Erdoberfläche würden solche Oxidationsprozesse zum Beispiel den gesamten Stahl eines Automobils in kürzester Zeit komplett in Rost verwandeln", erläutert McCammon. (red, 6.8.2017)