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Hat tiefes Magma Sauerstoff in die frühe Erdatmosphäre gebracht?
Die Zusammensetzung von Magma schien bislang festzulegen, wie viel Sauerstoff darin enthalten sein kann. Hochdruckexperimente zeigen nun, dass silikatische Schmelzen unter stark oxidierenden Bedingungen mehr als fünf Gewichtsprozent zusätzlichen Sauerstoff aufnehmen können. Beim Aufsteigen könnte dieser Sauerstoff wieder frei werden und zur Oxidation der Erdkruste und möglicherweise auch der Atmosphäre beigetragen haben.
Beijing (China). Vor rund 2,5 bis 2,0 Milliarden Jahren nahm der Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre in mehreren Phasen zu. In diesem Zeitraum bildeten sich auch ausgedehnte vulkanische Gesteinsprovinzen. Ob und wie aufsteigendes Magma selbst zu einer stärkeren Oxidation der Erdoberfläche beitragen konnte, war bisher allerdings unklar.
Im Erdinneren ist Sauerstoff reichlich vorhanden, denn er ist ein wesentlicher Bestandteil von Silikaten. Bisher wurde angenommen, dass die Mengenverhältnisse und Ladungen der übrigen chemischen Elemente den Sauerstoffgehalt einer Gesteinsschmelze festlegen. Damit galt Sauerstoff anders als Wasser oder Kohlendioxid nicht als eigenständig löslicher Bestandteil von Magma.
Forscher am Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) um Dr. Yanhao Lin haben nun überprüft, ob diese Annahme auch bei hohem Druck gilt. Dafür untersuchten sie, wie viel Sauerstoff eine basaltische Schmelze unter unterschiedlichen Bedingungen aufnehmen kann und was mit dem zusätzlichen Sauerstoff auf atomarer Ebene geschieht.
Das Team stellte zunächst ein künstliches Gestein mit der Zusammensetzung von Basalt der mittelozeanischen Rücken her. In Hochdruckpressen erhitzten die Forscher die Proben auf 1.200 bis 1.800 Grad Celsius und setzten sie Drücken von bis zu sieben Gigapascal aus. Zugegebenes Platinoxid sorgte für besonders sauerstoffreiche Bedingungen.
Nach dem raschen Abkühlen bestimmten die Wissenschaftler die Elementzusammensetzung der entstandenen Gläser. Sie verglichen die direkt gemessene Sauerstoffmenge mit dem Anteil, der zur chemischen Ladungsbilanz der übrigen Elemente benötigt wird. Die Differenz bezeichneten sie als überschüssigen Sauerstoff.
Das Ergebnis zeigt eine klare Druckabhängigkeit. Während bei normalem Luftdruck praktisch kein Sauerstoffüberschuss nachweisbar war, erreichte er bei sieben Gigapascal 5,2 ± 0,2 Gewichtsprozent. Kontrollversuche ohne zusätzliche Sauerstoffquelle ergaben unter vergleichbaren Hochdruckbedingungen dagegen nur rund 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent.
Der zusätzliche Sauerstoff liegt offenbar nicht einfach in Form eingeschlossener Gasbläschen vor. Spektroskopische Messungen zeigten keine für molekularen Sauerstoff typischen Signale. Das spricht dafür, dass er in die Struktur der erstarrten Silikatschmelze eingebaut wurde.
Ergänzende Molekulardynamik-Simulationen stützen diesen Befund. In einem vereinfachten Schmelzmodell mit Magnesium, Silizium und Sauerstoff stieg die berechnete Aufnahme zusätzlichen Sauerstoffs bei wachsendem Druck ebenfalls an. Die Berechnungen zeigen außerdem veränderte chemische Bindungen und in geringem Umfang sauerstoffhaltige Strukturen, die Peroxiden ähneln.
Damit könnte sich Sauerstoff ähnlich wie andere flüchtige Bestandteile verhalten, deren Löslichkeit bei hohem Druck zunimmt. Die Experimente deuten zudem darauf hin, dass die tatsächlich mögliche Sauerstoffaufnahme noch größer sein könnte, weil beim Abkühlen ein Teil des Überschusses verloren gegangen sein kann.