Isotope analysiert

Vulkangestein liefert Beweis: Erdkern ist undicht

In Vulkangesteinen aus Hawaii fanden Forscher winzige Spuren eines Isotops des Edelmetalls Ruthenium.(Bild: United States Geological Survey/M. Patrick)

Schon früher ließen Studien vermuten, dass der metallische Erdkern undicht ist und einige Vulkangesteine Material aus ihm enthalten. Eine Analyse von Vulkangestein aus Hawaii liefert nun den bisher stärksten Beweis für diese wissenschaftliche Annahme.

Sie erbrachte den bislang stärksten Beweis dafür, dass tatsächlich Material aus dem Erdkern austritt und von heißen Magmaströmen an die Oberfläche gedrückt wird. „Dieser Datensatz wird eine wichtige Grundlage für die geochemische Gemeinschaft sein, die den Erdmantel und die Erdgeschichte neu überdenkt“, sagt Forrest Horton, Geochemiker an der Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts.

Frühere Studien, in denen die relativen Häufigkeiten bestimmter Isotope-Versionen desselben Elements mit unterschiedlichem Atomgewicht untersucht wurden, ließen vermuten, dass einige Vulkangesteine Material aus dem Erdkern enthalten. Sie deuteten auf Material hin, das aus einem Austausch stammt, der rund 2900 Kilometer unter der Erdoberfläche an der Grenze zwischen dem Kern, der hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, und dem felsigen Erdmantel stattfindet.

Frühere Hinweise waren „nicht eindeutig“
Diese früheren isotopischen Hinweise seien jedoch „nicht eindeutig“, sagt der Isotopen-Chemiker Matthias Willbold von der Universität Göttingen in Deutschland. Er und sein Team konzentrierten sich auf der Suche nach stichhaltigeren Beweisen daher auf Ruthenium (Ru), ein seltenes Metall, das dem Platin ähnelt und von dem bekannt ist, dass es im Erdkern konzentriert ist.

Was ist Ruthenium?

Ruthenium (Ru) ist ein Element mit der chemischen Ordnungszahl 44. Es ist ein sprödes, silberweißes Übergangsmetall, das zu den Platinmetallen zählt. Es wird in der Industrie zur Herstellung von Katalysatoren, elektrischen Kontakten und Legierungen verwendet.

Im Vergleich zum Erdmantel enthält der Erdkern eine etwas größere Menge eines bestimmten Ruthenium-Isotops, das 100Ru. Mit neuen Verfahren stellte das Team um Willbold nun aber ein ungewöhnlich hohes 100Ru-Signal in oberirdischen Vulkangesteinen fest. Das lasse sich nur dadurch erklären, dass das Material, aus dem sich die Vulkangesteine gebildet haben, von der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel stammt, so die Wissenschaftler.

Die Forscher maßen die relativen Mengen an Ruthenium-Atomen mit den Atomgewichten 100, 101 und 102 in Gesteinsproben aus Hawaii, das laut Willbolds Angaben ein idealer Ort ist, um nach Gestein zu suchen, das aus dem tiefsten Erdmantel stammen könnte. Denn, so der Forscher: die Inseln von Hawaii entstehen an einem „Hotspot“, an dem Magma, das vermutlich aus dem tiefsten Erdmantel stammt, durch die Erdkruste ausbricht.

Grafische Darstellung der Schalenstruktur der Erde mit dem heißen, metallischen Kern im Zentrum gefolgt von dem festen äußeren Kern, dem felsigen Mantel und der dünnen Kruste an der Oberfläche(Bild: Universität Göttingen (OpenAI))

Nils Messling von der Abteilung Geochemie und Isotopengeologie an der Universität Göttingen erklärt: „Als die ersten Ergebnisse eintrafen, wurde uns klar, dass wir buchstäblich auf Gold gestoßen sind. Unsere Daten bestätigten, dass Material aus dem Erdkern, darunter Gold und andere Edelmetalle, in den darüberliegenden Erdmantel sickert.“

„Erdkern nicht so dicht wie angenommen“
Willbold aus derselben Abteilung ergänzt: „Unsere Ergebnisse zeigen nicht nur, dass der Erdkern nicht so isoliert ist, wie bisher angenommen. Wir können nun auch nachweisen, dass riesige Mengen sehr heißen Mantelmaterials – mehrere hundert Billiarden Tonnen an Basaltgestein – von der Kern-Mantel-Grenze bis an die Erdoberfläche aufsteigen, wodurch Ozeaninseln wie zum Beispiel Hawaii entstehen.“

Die wertvollen Vorräte an Gold und anderen Edelmetallen, auf die wir in Bereichen wie den erneuerbaren Energien dringend angewiesen sind, könnten somit zum Teil aus dem Erdkern stammen. „Ob die Prozesse, die wir heute beobachten, auch in der Vergangenheit stattgefunden haben, muss noch untersucht werden. Die Erkenntnisse eröffnen eine völlig neue Perspektive auf die Entwicklung der inneren Dynamik unseres Planeten“, schlussfolgert Messling in der Studie, die jetzt im Fachjournal „Nature“ veröffentlicht wurde.