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Der Erdkern ist seit 2,5 Milliarden Jahren undicht und Geologen wissen nicht warum.

Der brennende Kern der Erde ist kein Einzelgänger – er wurde dabei erwischt, sich mit anderen, unterirdischen Schichten zu vermischen. Das geht aus einer neuen Studie hervor, die herausgefunden hat, dass der innerste Teil des Planeten einen Teil seines Inhalts in Mantelfahnen austritt, von denen einige schließlich die Erdoberfläche erreichen.

Diese Entdeckung hilft, eine Debatte beizulegen, die seit Jahrzehnten wütet: ob Kern und Mantel irgendein Material austauschen, sagten die Forscher.

“Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich einige Kernmaterialien in die Basis dieser Mantelfahnen übertragen, und der Kern hat dieses Material in den letzten 2,5 Milliarden Jahren ausgelaufen”, schrieben die Forscher in The Conversation, einer Website, auf der Wissenschaftler über ihre Forschung für die Öffentlichkeit schreiben. [Fotos: Die seltsamsten geologischen Formationen der Welt]

Ermöglicht wurde der Befund durch das Metall Wolfram (W), Element 74 im Periodensystem. Wenn Wolfram ein Dating-Profil erstellen würde, würde es bemerken, dass es ein Siderophiler oder “Eisenliebhaber” ist. Kein Wunder also, dass im Erdkern, der hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, viel Wolfram hängt.

In seinem Profil würde Wolfram auch auflisten, dass es einige Isotope hat (ein Element mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen im Kern), darunter W-182 (mit 108 Neutronen) und W-184 (mit 110 Neutronen). Bei der Ausarbeitung ihrer Studie stellten die Forscher fest, dass diese Isotope ihnen helfen könnten, die Kernfrage zu lösen.

Ein weiteres Element, Hafnium (Hf), ist ein Lithophiler, d.h. er liebt Gesteine und befindet sich im silikatreichen Erdmantel. Mit einer Halbwertszeit von 8,9 Millionen Jahren zerfällt das radioaktive Isotop Hf-182 von Hafnium in W-182. Das bedeutet, dass der Mantel mehr W-182 haben sollte als der Kern, so die Wissenschaftler.

“Daher könnte der chemische Austausch zwischen dem Kern und der Quelle der Mantelfahnen im Verhältnis 182W/184W der Basalte der Ozeaninsel nachweisbar sein”, die aus den Federn im Mantel stammen, schrieben die Forscher in der Studie.

Aber dieser Unterschied im Wolfram wäre unglaublich gering: Die Zusammensetzung von Wolfram-182 in Mantel und Kern sollte sich nur um etwa 200 Teile pro Million (ppm) unterscheiden. “Weniger als fünf Labore auf der Welt können diese Art der Analyse durchführen”, schrieben die Forscher in The Conversation.

Außerdem ist es nicht einfach, den Kern zu studieren, da er in einer Tiefe von etwa 2.900 Kilometern unter der Erde beginnt. Um das in die richtige Perspektive zu rücken, ist das tiefste Loch, das der Mensch je gegraben hat, das Kola Supertiefbohrloch in Russland, das eine Tiefe von etwa 12,3 km (7,6 Meilen) hat.

Die Forscher untersuchten also das Nächstbeste: Gesteine, die aus dem tiefen Mantel des Pilbara-Kratons in Westaustralien und den Hotspots Réunion Island und Kerguelen Archipelago im Indischen Ozean an die Erdoberfläche sickerten.

Leckage erkannt
Die Menge an Wolfram in diesen Gesteinen zeigte ein Leck aus dem Kern. Im Laufe des Lebens der Erde gab es eine große Veränderung des Verhältnisses von W-182 zu W-184 im Erdmantel, fanden die Forscher. Seltsamerweise haben die ältesten Gesteine der Erde ein höheres Verhältnis von W-182 zu W-184 als die meisten modernen Gesteine, entdeckten sie.

“Die Änderung des 182W/184W-Verhältnisses des Mantels deutet darauf hin, dass Wolfram aus dem Kern schon seit langem in den Mantel gelangt ist”, schrieben die Forscher in The Conversation. [Fotos: Geologen Home-Brew Lava]

Die Erde ist etwa 4,5 Milliarden Jahre alt. Die ältesten Mantelgesteine des Planeten hatten jedoch keine signifikanten Veränderungen in den Wolframisotopen. Dies deutet darauf hin, dass es vor 4,3 Milliarden bis 2,7 Milliarden Jahren wenig oder gar keinen Materialaustausch vom Kern zum oberen Mantel gab, sagten die Forscher.

Aber in den letzten 2,5 Milliarden Jahren hat sich die Zusammensetzung der Wolframisotope im Mantel stark verändert. Warum ist das passiert? Wenn die Mantelfahnen von der Kern-Mantel-Grenze aufsteigen, dann geht vielleicht, wie eine Wippe, Material von der Erdoberfläche in den tiefen Mantel hinunter, sagten die Forscher. Dieses Oberflächenmaterial hat Sauerstoff in sich, ein Element, das Wolfram beeinflussen kann, sagten die Forscher.

“Subduktion, der Begriff für Gesteine von der Erdoberfläche, die in den Mantel absteigen, nimmt sauerstoffreiches Material von der Oberfläche in den tiefen Mantel als integralen Bestandteil der Plattentektonik auf”, schrieben die Forscher in The Conversation. “Experimente zeigen, dass eine Erhöhung der Sauerstoffkonzentration an der Kern-Mantel-Grenze dazu führen könnte, dass sich Wolfram aus dem Kern und in den Mantel löst.”

Oder, vielleicht, wenn der innere Kern erstarrt ist, nachdem sich die Erde gebildet hat, stieg die Sauerstoffkonzentration im äußeren Kern an, sagten die Forscher. “In diesem Fall könnten uns unsere neuen Ergebnisse etwas über die Entwicklung des Kerns sagen, einschließlich der Entstehung des Erdmagnetfeldes”, schrieben sie in The Conversation.

Die Studie wurde am 20. Juni in der Zeitschrift Geochemical Perspectives Letters online veröffentlicht.