Aus den Tiefen der Erde in die Tiefen des Sonnensystems Edelgase ...

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Xenolithe Xenolithe sind Gesteinseinsprenglinge in einer optisch und chemisch deutlich verschiedenen Gesteinsmatrix. Das Wort »Xenolith« wurde aus dem griechischen von xenos (fremd) und lithos (Stein) abgeleitet und bedeutet schlicht »Fremdgestein«. In unserem Zusammenhang muss man genauer von »Mantel-Xenolithen« sprechen. Mantel-Xenolithe sind mehr oder weniger unveränderte Bruchstücke des festen Erdmantel-Materials, die von einem zur Erdoberfläche aufsteigenden Magmenstrom mitgerissen wurden, ähnlich Kieselsteinen in einem Fluss. Es handelt sich also nicht zwingend um den Schmelzrest der Magmenentstehung, sondern um einfach mitgerissenes Material. Mantel-Xenolithe, im Volksmund auch Olivinbomben oder -knollen genannt, treten recht häufig in den Auswurfsmassen von Basaltvulkanen auf. Sie finden sich beispielsweise in großer Zahl in den Ablagerungen des »Dreiser-Weiher«- Vulkans in der deutschen Vulkaneifel, aber auch an vielen anderen Vulkanen weltweit. Am häufigsten tritt Spinell-Lherzolith auf (Abb. 1), benannt nach der Lokalität Lherz in den französischen Pyrenäen. Dieses hellgrüne und schwere Gestein besteht hauptsächlich aus den Silikatmineralen Olivin (ca. 60 %), Orthopyroxen (ca. 24 %) und Clinopyroxen (ca. 15 %), der Rest entfällt auf den ebenfalls namensgebenden Spinell, ein Aluminium-Chrom-Eisen-Oxid. Die Minerale treten als rundliche Körner von bis zu mehreren Millimetern Durchmesser auf. Der Erdmantel wird bis zu Tiefen von 70 bis 80 km überwiegend aus � Abb. 1: Mantel-Xenolith im transportierenden grauen Basalt: ein »Bruchstück« des Erdmantels. (Bild: T. Althaus) nen Jahre. Diese Befunde stützen die Hypothese, dass alle Körper im Sonnensystem gemeinsam entstanden sind, was ja auch aufgrund der dynamischen Befunde zu erwarten ist: Die ähnlichen Bahnlagen der Planeten in der Ekliptik, der einheitliche Umlaufssinn ihrer Bahnen und ihrer Eigenrotation ließen schon Immanuel Kant zu diesem Schluss gelangen. Als letztes Beispiel sei noch der Nachweis kurzlebiger radioaktiver Isotope (siehe Kasten »Isotope«) im frühen Sonnensystem erwähnt, also der Präsenz von frisch erbrütetem Auswurfmaterial von Nachbarsternen. Dies ist ein Hinweis auf die Geburt unseres Sonnensystems in einem Sternhaufen. Im Sternhaufen, in dem die Sonne entstanden ist, hatten of- 15 mm � fenbar die ältesten massereichen Sterne ihre Hauptentwicklung bereits abgeschlossen und durchliefen Rote-Riesen-, Supernova- und ähnliche Endstadien. Dabei gaben sie Material an die Umgebung ab. Dieses Material geriet auch in den Urnebel unserer masseärmeren, sich langsamer entwickelnden und deshalb noch jungen (Proto-)Sonne. Die Verarmung der flüchtigen Elemente im inneren Sonnensystem Doch nun zurück zu den astronomisch relevanten geochemischen Untersuchungen terrestrischer Gesteine: Aus den Analysen der Gesteine aus dem Erdinnern und der Erdkruste lässt sich eine durch- Abb. 2: Olivinkristall eines Mantel-Xenoliths mit rundlichen Fluideinschlüssen. (Bild: M. Trieloff) Spinell-Lherzolith aufgebaut (vgl. Abb. 1 im Text). Daneben finden sich zusätzlich auch Pyroxenite und Dunite. Pyroxenite bestehen fast ausschließlich aus Ortho- und Klinopyroxenen, bei Duniten handelt es sich um fast reinen Olivin. Der Erdmantel besteht also aus festen Gesteinen, man darf ihn sich keinesfalls als ein glutflüssiges Lavameer unter einer dünnen Erdkruste vorstellen. Unterhalb von etwa 80 km Tiefe nehmen Druck und Temperatur so stark zu, dass die Pyroxenminerale diesen Bedingungen nicht mehr standhalten können und sich in die noch dichtere Granatstruktur umwandeln. Dann spricht man von einem Granat-Peridotit. Solche Granat-Peridotite werden schon wesentlich seltener an die Erdoberfläche gefördert. Der Name Peridotit stammt von Peridot, dem Schmucksteinnamen von klarem, leuchtend-grünem Olivin. In den Mineralen der Mantel-Xenolithe finden sich häufig kleine Hohlräume innerhalb der Kristalle, welche mit Gasen angefüllt sind (Abb. 2). Diese Hohlräume werden als Fluideinschlüsse bezeichnet. Im allgemeinen handelt es sich bei den eingeschlossenen Gasen um fast reines Kohlendioxid (CO 2 ). Daneben finden sich aber auch die Edelgase als Beimengungen. Die Gase können entweder mechanisch durch Zerbrechen im Hochvakuum oder thermisch durch Aufheizen in einem Hochvakuumofen freigesetzt werden. Nach Abtrennung der chemisch aktiven Gase können dann in einem speziellen Massenspektrometer (Abb. 4 im Text) Edelgasanalysen vorgenommen werden. schnittliche Zusammensetzung des Gesteinsanteils der Erde (d. h. ohne den metallischen Eisen-Nickel-Kern) berechnen und mit den solaren Elementhäufigkeiten vergleichen. Dabei fällt zweierlei besonders auf: erstens eine starke Verarmung der Anteile an metallischen oder metallliebenden Elementen, z. B. Kobalt, Kupfer, Zink, Silber, Gold. Diese sind bei der Bildung des Erdkerns zusammen mit Eisen und Nickel in den Erdkern »abgewandert«. Zweitens zeigt sich eine ausgeprägte Verarmung der flüchtigen Elemente, wie z. B. der Alkalielemente Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium. Laboruntersuchungen extraterrestrischer Gesteine von bestimmten Asteroiden, dem Erdmond SuW-Dossier Die Erde 91
Elementhäufigkeit 92 1 10 –2 10 –4 10 –6 10 –8 10 –10 10 –12 10 –14 oder Mars weisen ebenfalls ein solches Defizit auf. Beim Element Kalium kann man diese Verarmung auch bei Planeten nachweisen, von denen bisher nur Sondendaten vorliegen, z. B. bei der Venusoberfläche. Das heißt, die Verarmung flüchtiger Elemente – um bis zu einen Faktor 100 – betraf das gesamte innere Sonnensystem, nicht nur die Erde. Edelgas-Häufigkeiten im inneren Sonnensystem Die Verarmung flüchtiger Elemente im inneren Sonnensystem betraf insbesondere auch die gasförmigen Komponenten und führte zur »Dichotomie« des Sonnensystems, also zur Trennung in die terrestrischen Planeten im inneren Sonnensystem und die Gasriesen im äußeren Sonnensystem. Der Grad der Verarmung (um mehrere Größenordnungen) lässt sich aus den Häufigkeitsverhältnissen der Edelgase ableiten. Abb. 5 zeigt die Konzentrationen der Edelgase, normiert auf kosmische oder solare Häufigkeiten: Für die Planeten Erde und Mars wird die gesamte Menge der Edelgase der Atmosphäre durch die Masse des jeweiligen Planeten geteilt, da diese Planeten im Laufe ihrer Entwicklung weitgehend entgasten (siehe nachfolgende Abschnitte). Für primitive (also weitgehend unentgaste) Meteorite werden die im Gestein gemessenen Konzentrationen dargestellt. Edelgase eignen sich aus mehreren Gründen für solche Vergleiche besser als unedle Gase. Zum einen gehen sie keine Ver- � kosmische Häufigkeiten (solar) Meteorite Erde Mars 4 He 20 Ne 36 Ar 84 Kr 130 Xe Abb. 5: Edelgashäufigkeiten planetarer Körper, normiert auf kosmische oder solare Häufigkeiten. Edelgase sind auf Körpern im inneren Sonnensystem stark verarmt, insbesondere die leichten Edelgase. SuW-Dossier Die Erde bindungen mit anderen Elementen ein; ihre Häufigkeit ist dementsprechend unabhängig von chemischen Prozessen (wie im Falle des terrestrischen Kohlenstoffs beispielsweise die Einbindung in die Biosphäre, oder die unterschiedliche Flüchtigkeit der verschiedenen Molekülverbindungen gasbildender Elemente, etwa Kohlenstoff in CO 2 , CH 4 , Stickstoff in N 2 , NH 3 etc.). Zum anderen decken die Edelgase einen großen Massenbereich ab, man ist also empfindlicher für atommassenabhängige Prozesse (siehe Kasten rechts). Schließlich gibt es Isotopen- Anomalien durch die Bildung von Edelgasisotopen aus radioaktiven Zerfällen (etwa von Uran, Thorium, Kalium; siehe Kasten rechts und Tabelle 1) – letztere ermöglichen Aussagen über die Herkunft der Edelgase aus verschiedenen Reservoirs bzw. deren Evolution. Beispielsweise weist das MORB-Reservoir einen höheren Überschuss radiogener Nuklide auf als der tiefe Erdmantel (siehe Tabelle 2 im Kasten rechts), was ein Hinweis auf eine noch intensivere Entgasung des seichten Erdmantels ist. Die Häufigkeitsverhältnisse der Edelgase in Abb. 5 zeigen also, dass das innere Sonnensystem an Edelgasen noch stärker als an gesteinsbildenden flüchtigen Elementen verarmt ist. Ursache könnte ein starker Sonnenwind während des frühen T-Tauri-Stadiums unserer Sonne gewesen sein, der Gase und andere flüchtige Elemente der Akkretionsscheibe nach außen trieb. Unklar ist jedoch, in welchem Stadium der Akkretion dies stattfand, d. h. ob es zu dieser Zeit lediglich sehr kleine Planetesimale gab oder schon fast ausgewachsene Protoplaneten. Die Klärung dieser Frage hätte enorme Konsequenzen für unser Verständnis des Entstehungsmechanismus der Atmosphären der terrestrischen Planeten, denn beinahe ausgewachsene Planeten könnten durch ihre Schwerkraft eine Uratmosphäre solarer Zusammensetzung festhalten. Bei kleinen Planetesimalen müssen dagegen andere Prozesse wirksam sein, etwa vorherige Adsorption der Gase auf Staubkörner. Der Ursprung der terrestrischen Edelgase: Entgasung des Erdmantels? Abb. 5 zeigt noch weitere interessante Details. Auffällig ist, dass die Planeten an leichten Edelgasen offensichtlich noch stärker verarmt sind als an schweren. Dies wurde schon früh erkannt und als Hinweis gedeutet, dass die heutigen Atmosphären nicht direkt durch die Gravitation der Protoplaneten aus dem solaren Nebel eingefangen wurden. Vielmehr Isotope Isotope sind Atome des gleichen chemischen Elements mit unterschiedlicher Atommasse: Sie unterscheiden sich nur durch die Anzahl der Neutronen im Atomkern und verhalten sich chemisch gleich. Zum Beispiel werden Isotopenverhältnisse beim teilweisen Aufschmelzen eines Gesteins und nachfolgendem Entzug dieser Schmelze nicht verändert. Die Isotopenzusammensetzung einer Schmelze aus dem Erdmantel spiegelt somit die unverfälschte Signatur der Mantelquelle wider. Messbare Änderungen von Isotopenverhältnissen sind nur möglich durch massenabhängige physikalische Prozesse (so genannte »Massenfraktionierung«), beispielsweise durch Diffusionsprozesse. Auch Kernprozesse wie radioaktiver Zerfall bestimmter Mutterisotope können die Isotopie durch Zuwachs neu entstehender (»radiogener«) Isotope ändern (Tabelle 1). Isotope, die nicht durch Kernreaktionen (außer in Sternen vor der Bildung des Sonnensystems) gebildet wurden, bezeichnet man als »primordial«, sie haben ihre Häufigkeiten seit der Entstehung des Sonnensystems nicht verändert. Alle Edelgase besitzen mehrere Isotope (siehe Tabelle 1). Helium hat zwei Isotope, 3He und 4He, dabei bezeichnet die hochgestellte Zahl vor dem Elementsymbol die jeweilige Atommasse. Neon und Argon haben je drei Isotope. Neben legt die Ähnlichkeit zum meteoritischen Häufigkeitsmuster die Annahme nahe, dass die akkretierenden Planetesimale die Edelgase bereits in sich hatten und sich die Atmosphären der Planeten durch Entgasung des sich zusammenballenden Materials bildeten. Diese Hypothese wurde bereits im Jahre 1937 durch Carl Friedrich von Weizsäcker aufgestellt, und zwar anhand von Überlegungen zum Edelgasisotop 40 Ar. Dieses entsteht durch Zerfall des radioaktiven Kalium- Isotops 40 K und somit in der festen Erde. Es ist aber das häufigste Argonisotop der irdischen Atmosphäre, wohingegen seine kosmische Häufigkeit eher gering ist. 40 Ar kann also nur durch Entgasung der festen Erde in die Atmosphäre gelangt sein, und ist dort der dritthäufigste Bestandteil nach Stickstoff und Sauerstoff. Obwohl die Erde tatsächlich weitgehend entgast ist, enthält sie noch geringe, aber messbare Spuren von Edelgasen, die z. B. in den in Abb. 2 und 3 und in den Abb. 1 und 2 im Kasten »Xenolithe« gezeigten Gesteinen enthalten sind.
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