Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Bayreuth hat bedeutende Fortschritte in der Materialwissenschaft erzielt, indem es zwei neuartige Eisenverbindungen entwickelt hat. Diese Verbindungen, bekannt als Fe₅O₁₂Hₓ und Fe₇O₁₂Hₓ, zeigen Stabilität unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen, die im tiefen Erdmantel vorherrschen. Die Entdeckung dieser Verbindungen könnte nicht nur dazu beitragen, das Rätsel über die Speicherung von Wasser in den tiefsten Schichten der Erde zu lösen, sondern auch Erklärungen für das ungewöhnliche Verhalten seismischer Aktivitäten und vulkanischer Prozesse liefern.
Geochemische Analysen von Vulkanen, insbesondere in Regionen wie Baffin Island in Kanada und Island, legen nahe, dass ein Teil des Wassers, das während der Entstehung der Erde gebildet wurde, bis heute in den Tiefen des Erdinneren existieren könnte. Bislang war jedoch unklar, welche mineralischen Strukturen in der Lage sind, Wasser unter den extremen Bedingungen des Erdkerns zu speichern. Die neu entwickelten Eisenverbindungen stellen nun potenzielle Kandidaten dar, die diese Funktion erfüllen könnten.
Um die neuen Minerale herzustellen, verwendete das Forschungsteam spezielle Diamantstempelzellen, die es ermöglichen, kleine Proben zwischen zwei Diamanten stark zu komprimieren und gleichzeitig mit Lasern zu erhitzen. Diese Methode simuliert die Bedingungen, die in mehreren tausend Kilometern Tiefe innerhalb der Erde herrschen, einschließlich Drücken von 78 bis 198 Gigapascal und Temperaturen von 2.400 bis 2.800 Kelvin. Mithilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlung konnten die Wissenschaftler die genauen chemischen Zusammensetzungen und Kristallstrukturen der neu gebildeten Verbindungen bestimmen.
Bemerkenswerterweise konnten die neuen Minerale sowohl aus wasserhaltigen Ausgangsmaterialien als auch aus Proben, die nahezu wasserfrei waren, synthetisiert werden. Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) erklärte: „Es scheint, dass bereits geringe Mengen Wasserstoff ausreichen, um die Bildung dieser wasserhaltigen Eisenverbindungen zu initiieren.“ Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis von Wasserreserven im Erdinneren.
Ein relevanter Aspekt der Forschung ist die Hypothese, dass ein uralter Magmaozean, der einst an der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel existierte, als möglicher Speicher für Wasser aus der Frühgeschichte der Erde fungierte. Mit der Abkühlung könnte dieser Magmaozean zunehmend mit Eisen und Wasser angereichert worden sein – genau den Elementen, die für die Bildung der neu entdeckten Minerale erforderlich sind. Dr. Man Lianjie, einer der Autoren der Studie, fügte hinzu, dass die Minerale auch Wasser speichern könnten, das durch die Bewegung der tektonischen Platten in tiefere Erdschichten transportiert wird. Aufgrund ihrer hohen Dichte würden diese Verbindungen wahrscheinlich in der Nähe der Kern-Mantel-Grenze verweilen und dort langfristig Wasser speichern.
Die Eisenverbindung Fe₅O₁₂Hₓ zeichnet sich durch einen hohen Wasserstoffgehalt aus. Die Berechnungen des Forschungsteams deuten darauf hin, dass bereits ein Anteil von etwa 1 % dieses Minerals im Erdmantel ausreichen könnte, um einen Großteil des vermuteten Wasserstoffvorrats der silikatischen Erde zu speichern. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass dieses Mineral nicht gleichmäßig verteilt, sondern in lokal konzentrierten Bereichen vorkommt.
Darüber hinaus könnte die Bildung dieser neuen Minerale auch Auswirkungen auf geophysikalische Messungen und die vulkanische Aktivität haben. Indem sie den umgebenden Gesteinen Eisen entziehen, könnten sich bestimmte Grenzen zwischen verschiedenen Mantelmineralen verändern. Dies könnte erklären, warum Geophysiker in einigen Regionen unerwartete Signale bei seismischen Messungen registrieren. Zudem könnte die Ansammlung von Eisen-Oxyhydroxiden im Erdinneren die vulkanische Aktivität an der Erdoberfläche beeinflussen. Wenn diese Oxyhydroxide bei Erhitzung durch den Erdkern leichter schmelzen als die umgebenden Silikate, könnten sie das gespeicherte Wasser und andere flüchtige Komponenten freisetzen und somit eine Verbindung zwischen den tiefen Reservoiren im Erdinneren und der Vulkanaktivität an der Oberfläche herstellen.
Diese bahnbrechenden Ergebnisse sind das Resultat der Zusammenarbeit zahlreicher Wissenschaftler und Einrichtungen, darunter das Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR), die ETH Zürich
