Leitfähigkeit des Erdmantels enträtselt

Im oberen Erdmantel gibt es natürliche elektrische Ströme, doch das Hauptmaterial des Mantels ist gar nicht leitfähig. Dieses scheinbare Paradox haben jetzt französische Forscher in „Science“ aufgeklärt. Sie ermittelten die Konzentration von flüssigem Karbonat in der Asthenosphäre nach und wiesen die extrem gute Leitfähigkeit dieser Kohlenstoffverbindung nach. Das Ergebnis hat auch Auswirkungen auf das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs.

Woher kommt das CO2 der Vulkane?

Bei Vulkanausbrüchen werden immer wieder große Mengen an Kohlendioxid frei, aber woher kommt der darin enthaltenen Kohlenstoff? Seit langem favorisieren Geologen die Theorie, dass im Erdmantel, der Schicht geschmolzenen Gesteins unter der Erdkruste, seit Jahrtausenden große Mengen an Kohlenstoff enthalten sind. Bisher konnte diese Annahme jedoch nicht eindeutig bewiesen werden. Im Gegenteil: Gesteinsproben von der Oberfläche des Mantels enthielten nur sehr geringe Kohlenstoffkonzentrationen.

Und warum leitet der Erdmantel?

Ein weiteres ungelöstes Rätsel des Erdmantels ist seine Leitfähigkeit: Obwohl er hauptsächlich aus Olivin besteht, einem absolut isolierenden Mineral, gibt es in Tiefen zwischen 70 und 350 Kilometern natürliche elektrische Strömungen. Wie aber ist dies möglich? Um genau diese Fragen zu klären, haben jetzt Forscher des Institut des Sciences de la Terre d’Orléans (ISTO) Lava aus dem Masai Vulkan in Tansania untersucht. Er ist der einzige Ort auf der Welt, an dem flüssige Karbonate zutage gefördert werden, neben Diamant und Graphit eine der stabilsten Formen von Kohlenstoff im Mantelgestein. Überall sonst sind die Karbonate in Basalt gelöst und gasen als CO2 aus.

Flüssiges Karbonat als Leiter

In Laborversuchen stellten Wissenschaftler um Fabrice Gaillard fest, dass die flüssigen Karbonate sehr leitfähig sind. Sie besitzen eine mehr als 1.000 fach höhere Leitfähigkeit als Basalt, der bisher als die einzige leitfähige Komponente des Erdmantels galt. Aus der Präsenz der flüssigen Karbonate im Vulkan und ihrer leitenden Eigenschaften schließen die Forscher, dass auch die Leitfähigkeit des oberen Mantels insgesamt auf dieses Material zurückzuführen ist. Kleine Mengen der flüssigen Karbonate zwischen Brocken festen Gesteins könnten ihrer Ansicht nach das Fließen der natürlichen elektrischen Ströme im Mantel erklären. Die Konzentrationen des Karbonats variiert dabei offenbar mit der Tiefe und der Region des Mantels.

Due Wissenschaftler rechneten aus, dass die Menge des Kohlenstoffs in Form der flüssigen Karbonate zwischen 0,003 und 0,025 Prozent der Asthenosphäre, des schmelzflüssigen Teils des Erdmantels, ausmacht. Das erscheint zwar sehr wenig, es repräsentiert aber ein Reservoir, das mehr Kohlenstoff enthält als die gesamte Erdoberfläche. Daher könnte es durchaus ausreichen, um die von 80 Prozent der Vulkane ausgestoßenen Mengen an Kohlendioxid zu erklären.

Auswirkung auf Klima und Plattentektonik

In jedem Fall aber bringen die neuen Ergebnisse einen wertvollen Beitrag zum Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs, einem der wichtigsten Faktoren auch für die Klimaentwicklung auf unserem Planeten. Die Anwesenheit von geschmolzenen Karbonaten hat aber auch für die Fließeigenschaften der Asthenosphäre eine große Bedeutung. Denn hier befindet sich unter anderem auch der „Motor“ für die Plattentektonik, die Bewegung der einzelnen Platten, aus denen die feste Erdoberfläche zusammengesetzt ist.

Kein Diamant im Erdmantel?

Alles deutet zurzeit daraufhin, dass die Athenosphäre nur Kohlenstoff in seiner oxidierten Form als Karbonat enthält und nicht, wie zuvor angenommen, auch in seiner festen, reduzierten Form. Damit muss auch die Entstehung von Diamanten neu durchdacht werden. Nach Ansicht von Gaillard könnten auch die begehrten Edelsteine am unteren Rand der Lithosphäre aus flüssigen Karbonaten entstehen.

(CNRS, 05.12.2008 – NPO)