Allgemeine Erklärung falsch – Forscher entdecken neue Hinweise auf den Ursprung der Kontinente der Erde

Der Pilot von Apollo 8, Bill Anders, nahm dieses ikonische Foto der Erde am Weihnachtsabend, dem 24. Dezember 1968, aus der Umlaufbahn um den Mond auf. Die Kontinente der Erde – einzigartig im Sonnensystem – sind sichtbar und erheben sich über dem Ozean. Bildnachweis: NASA

Die neuen Experimente werfen Fragen über die allgemeine Erklärung für die Eigenschaften auf, die trockenes Land hervorbringen.

Obwohl dies ein entscheidender Faktor dafür ist, die Erde im Vergleich zu anderen Planeten im Sonnensystem zu einem lebensfreundlicheren Ort zu machen, bleiben die einzigartigen Ursprünge und Eigenschaften der Kontinente und massiven Brocken der Planetenkruste weitgehend ein Rätsel.

Eine aktuelle Studie von Elizabeth Cottrell, Forschungsgeologin und Kuratorin für Gesteine ​​am Smithsonian National Museum of Natural History, und Megan Hollickross, Peter Buck Fellow und National Science Foundation Fellow am Museum und jetzt Assistenzprofessorin an der Cornell University, hat unser Wissen erweitert der Erdkruste durch Testen und Widerlegen einer weit verbreiteten Theorie im Zusammenhang mit dem niedrigeren Eisengehalt und den höheren Redoxwerten der kontinentalen Kruste im Vergleich zur ozeanischen Kruste.

Die schlechte Zusammensetzung des Eisens in der kontinentalen Kruste ist ein wesentlicher Grund dafür, dass weite Teile der Erdoberfläche als trockenes Land über dem Meeresspiegel liegen und das Leben auf der Erde heute möglich machen.

Die Studie wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftenverwendet Laborexperimente, um zu zeigen, dass die für die kontinentale Erdkruste typische eisenabbauende oxidative Chemie wahrscheinlich nicht von der Kristallisation des Minerals Chalcedon herrührt, gemeinsame Deutung 2018 vorgeschlagen.

Die Bausteine ​​der neuen kontinentalen Kruste brechen tief aus dem Erdinneren in sogenannten Kontinentalbogenvulkanen aus, die an Subduktionszonen zu finden sind, wo eine ozeanische Platte unter eine kontinentale Platte absinkt. In der Erklärung des Granats für den erschöpften und oxidierten Zustand von Eisen in der kontinentalen Kruste entfernt die Kristallisation von Granat im Magma unter diesen kontinentalen Vulkanen nicht oxidiertes Eisen (reduziertes oder Eisen, wie es unter Wissenschaftlern bekannt ist) von den Erdplatten, wodurch Eisen an der Erdoberfläche abgebaut wird gleiche Zeit. Das Magma geschmolzenes Eisen hinterlässt es stärker oxidiert.

Fotobinokularglas, großer Opal und andere kleine Mineralkristalle

Mikroaufnahmen aus einem Experiment, das für diese Studie durchgeführt wurde. Das Bild enthält Glas (braun), großen Achat (rosa) und andere kleine Mineralkristalle. Das Sichtfeld ist 410 μm breit, etwa so groß wie ein Zuckerkristall. Bildnachweis: J. MacPherson und E. Cottrell, Smithsonian

Eine Hauptfolge der Abnahme des Eisengehalts in der kontinentalen Erdkruste im Vergleich zur ozeanischen Kruste besteht darin, dass die Kontinente weniger dicht und schwimmfähiger werden, was dazu führt, dass sich die Kontinentalplatten von den ozeanischen Platten über den Mantel des Planeten erheben. Diese Diskrepanz in Dichte und Auftrieb ist ein Hauptgrund, warum Kontinente trockenes Land haben, während ozeanische Krusten unter Wasser sind, und warum Kontinentalplatten immer oben erscheinen, wenn sie in Subduktionszonen auf ozeanische Platten treffen.

Garnets Erklärung für den Eisenabbau und die Oxidation im Magma-Kontinentalbogen war überzeugend, aber Cottrell sagte, dass ein Aspekt davon einfach nicht zu ihr passte.

„Sie brauchen hohen Druck, um den Achat stabil zu machen, und Sie finden diese eisenarmen Magmen an Stellen, an denen die Kruste nicht so dick ist, sodass der Druck nicht sehr hoch ist“, sagte sie.

Im Jahr 2018 machten sich Cottrell und ihre Kollegen daran, einen Weg zu finden, um zu testen, ob die Kristallisation von Granaten in der Tiefe unter diesen Bogenvulkanen tatsächlich für den Bildungsprozess der kontinentalen Kruste, wie verstanden, notwendig war. Um dies zu erreichen, mussten Cottrell und Holicros Wege finden, die extreme Hitze und den Druck der Erdkruste im Labor nachzubilden, und dann Techniken entwickeln, die empfindlich genug sind, um nicht nur zu messen, wie viel Eisen vorhanden ist, sondern auch um zwischen der Oxidation dieses Eisens zu unterscheiden.

Um den enormen Druck und die Hitze unter Kontinentalbogenvulkanen nachzubilden, verwendete das Team sogenannte Kolben-Zylinder-Pressen im Hochdrucklabor des Museums und in Cornell. Der Kolben eines hydraulischen Kolbenzylinders hat etwa die Größe eines Minikühlschranks und besteht größtenteils aus unglaublich dickem und starkem Stahl und Wolframcarbid. Die von einem großen Hydraulikkolben aufgebrachte Kraft führt zu sehr hohen Drücken auf kleine Gesteinsproben von etwa einem Kubikmillimeter Größe. Die Anordnung besteht aus elektrischen und thermischen Isolatoren, die die Gesteinsprobe umgeben, sowie einem zylindrischen Ofen. Die Kombination aus Kolben-Zylinder-Presse und Heizaggregat ermöglicht Experimente, die die sehr hohen Drücke und Temperaturen von Vulkanen erreichen können.

Elizabeth Cottrell hält einen Prozess ab

Elizabeth Cottrell, Forschungsgeologin und Gesteinskuratorin am National Museum of Natural History der Smithsonian Institution, lädt ein Experiment in ihr Museumslabor. Bildnachweis: Jennifer Renteria, Smithsonian

In 13 verschiedenen Experimenten züchteten Cottrell und Holicros Granatproben aus geschmolzenem Gestein in einer Kolben-Zylinder-Presse unter Drücken und Temperaturen, die darauf ausgelegt sind, Bedingungen in Magmakammern tief in der Erdkruste zu simulieren. Die in den Experimenten verwendeten Drücke reichten von 1,5 bis 3 Gigapascal – ungefähr 15.000 bis 30.000 Erddrücke oder 8.000 Mal höher als der Druck in einer Getränkedose. Die Temperaturen lagen zwischen 950 und 1230 Grad[{“ attribute=““>Celsius, which is hot enough to melt rock.

Next, the team collected garnets from Smithsonian’s National Rock Collection and from other researchers around the world. Crucially, this group of garnets had already been analyzed so their concentrations of oxidized and unoxidized iron were known.

Finally, the study authors took the materials from their experiments and those gathered from collections to the Advanced Photon Source at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory in Illinois. There the team used high-energy X-ray beams to conduct X-ray absorption spectroscopy, a technique that can tell scientists about the structure and composition of materials based on how they absorb X-rays. In this case, the researchers were looking into the concentrations of oxidized and unoxidized iron.

The samples with known ratios of oxidized and unoxidized iron provided a way to check and calibrate the team’s X-ray absorption spectroscopy measurements and facilitated a comparison with the materials from their experiments.

The results of these tests revealed that the garnets had not incorporated enough unoxidized iron from the rock samples to account for the levels of iron depletion and oxidation present in the magmas that are the building blocks of Earth’s continental crust.

“These results make the garnet crystallization model an extremely unlikely explanation for why magmas from continental arc volcanoes are oxidized and iron-depleted,” Cottrell said. “It’s more likely that conditions in Earth’s mantle below continental crust are setting these oxidized conditions.”

Like so many results in science, the findings lead to more questions: “What is doing the oxidizing or iron depleting?” Cottrell asked. “If it’s not garnet crystallization in the crust and it’s something about how the magmas arrive from the mantle, then what is happening in the mantle? How did their compositions get modified?”

Cottrell said that these questions are hard to answer but that now the leading theory is that oxidized sulfur could be oxidizing the iron, something a current Peter Buck Fellow is investigating under her mentorship at the museum.

Reference: “Garnet crystallization does not drive oxidation at arcs” by Megan Holycross and Elizabeth Cottrell, 4 May 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.ade3418

This study is an example of the kind of research that museum scientists will tackle under the museum’s new Our Unique Planet initiative, a public–private partnership, which supports research into some of the most enduring and significant questions about what makes Earth special. Other research will investigate the source of Earth’s liquid oceans and how minerals may have served as templates for life.

The study was funded by the Smithsonian, the National Science Foundation, the Department of Energy, and the Lyda Hill Foundation.

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