Hawaii-Hotspot als „Bote“ aus der Tiefe
Ein Team um Yves Moussallam von der Columbia University in New York könnte nun ein geochemisches Fenster in den Erdkern gefunden haben: auf Hawaii. Die dortigen Vulkane werden von einem gewaltigen Hotspot aufsteigenden Magmas gespeist, dessen tiefste Wurzeln bis an die Grenze des äußeren Erdkerns reichen. Seismische Messungen legen zudem nahe, dass die Kern-Mantel-Grenze unter Hawaii ungewöhnlich heiß, dicht und eisenreich sein könnte.
„Einer Interpretation nach handelt es sich hierbei um Material aus dem Erdkern, das in den unteren Bereich des Erdmantels eingedrungen ist“, erklären Moussallam und seine Kollegen. „Der Erdkern ist demnach kein isoliertes Reservoir, sondern steht im Austausch mit dem Erdmantel – insbesondere in den Ursprungsgebieten von Mantelplumes.“ Wenn Magma aus diesem tiefen Mantelreservoir bis an die Oberfläche aufsteigt, wie auf Hawaii der Fall, dann könnten darin auch chemische Signaturen aus dem Erdkern enthalten sein.
Könnte dies dabei helfen, das Kohlenstoffrätsel des Erdkerns zu lösen? Um das herauszufinden, haben Moussallam und sein Team Magmaeinschlüsse in 48 Proben aus drei verschiedenen Vulkangebieten auf Hawaii analysiert. Zwei der Probengruppen stammen von Vulkanen im Zentrum des Hawaii-Mantelplumes und werden daher von dem am tiefsten hinunterreichenden Magmaaufstrom gespeist. Die dritte Probengruppe stammt aus der flacheren Randzone des Hawaii-Hotspots.
Der Hotspot unter Hawaii reicht bis an die Kern-Mantel-Grenze hinunter. Dadurch transportiert er auch Magma an die Oberfläche, in dem ausgetretenes Material aus dem Erdkern enthalten ist. — © Moussallam et al./ PNAS, CC-by-nc-nd 4.0
Kohlenstoffisotope anders als im Rest des Erdmantels
In diesen Magmaproben suchten die Geologen nach winzigen Magmaeinschlüssen in Olivinkristallen, die aus großer Tiefe stammen. Diese analysierten sie auf das Verhältnis des schwereren Kohlenstoff-Isotops 13C zum „normalen“ 12C-Kohlenstoff. Als für den Erdmantel typischer Referenzwert dienten die 13C-Isotopenverhältnisse von Diamanten, die im Mittel bei -5.2 Promille Kohlenstoff-13 liegen. Sollten die Werte in den Magmaeinschlüssen davon abweichen, könnte dies darauf hindeuten, dass sie auch Material aus dem Erdkern enthalten, wie das Team erklärt.
Und tatsächlich: Die Magmaproben aus dem Zentrum des Hawaii-Mantelplumes wichen deutlich vom den Erdmantel-Durchschnitt ab. „Die Kohlenstoff-Signatur dieses nicht ausgegasten Materials liegt bei -1,2 Promille. Es enthält demnach vier Promille mehr des schweren Kohlenstoff-13 als das Mittel der Referenzdiamanten“, berichten Moussallam und seine Kollegen. Die Probe vom Rand des Mantelplumes zeigte diese Abweichungen dagegen nicht.
Indiz für „leckenden“ Erdkern
Nach Ansicht der Forschenden lässt sich die anomale Isotopensignatur der zentralen Proben weder durch gängige Mantelprozesse noch durch recycelte Sedimente erklären. Stattdessen sehen sie darin eine Bestätigung dafür, dass der Hawaii-Hotspot nicht nur Material aus dem unteren Erdmantel zutage fördert, sondern auch eingedrungenes Material aus dem Erdkern. Dies stützt die Annahme, dass auch heute noch ein langsamer Austausch von Material zwischen Kern und Mantel stattfindet.
„Unsere Messungen für das Zentrum des Hawaii-Mantelplumes lassen sich am einfachsten dadurch erklären, dass isotopisch schwerer Kohlenstoff aus dem Erdkern in den unteren Erdmantel gelangt ist“, schreiben die Geologen. „Wir haben damit einen direkten Fingerabdruck des Kohlenstoffs identifiziert, der vom Erdkern in den Mantel übergeht.“ Ihren Berechnungen zufolge treten durch dieses „Kernleck“ jährlich zwischen 9,5 und 63 Millionen Tonnen Kohlenstoff aus dem Erdkern in den Erdmantel aus.
Was das über den Erdkern verrät
Die Vulkane des Hawaii-Mantelplumes eröffnen damit ein geochemisches Fenster zum Kern unseres Planeten. Durch ihre Messdaten können die Geologen erstmals eingrenzen, wie der Kohlenstoff im Erdkern isotopisch zusammengesetzt ist. „Für den äußeren Erdkern mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 2 Gewichtsprozent ergibt sich ein 13C-Kohlenstoff-Isotopenwert von etwa +3 Promille“, berichten Moussallam und seine Kollegen. Die -1,2 Promille in den Magmaproben liefern dabei die mögliche Untergrenze.
Daraus ergeben sich zwei Schlussfolgerungen: Zum einen bestätigt dies, dass der Erdkern einen signifikant höheren Anteil des schweren 13C enthält als der Erdmantel. Zum anderen lässt sich damit auch die Gesamt-Isotopenbilanz des in unserem Planeten enthaltenen Kohlenstoffs ermitteln: „Geht man davon aus, dass rund 80 Prozent des gesamten irdischen Kohlenstoffs im Erdkern liegen, ergibt sich ein Wert von -2,4 Promille Kohlenstoff-13 für die ganze Erde“, schreiben die Geologen.
So könnte die junge Erde ihren Kohlenstoff bekommen haben. — © Moussallam et al./ PNAS, CC-by-nc-nd 4.0
Woher kam der irdische Kohlenstoff?
Diese Ergebnisse könnten den jahrzehntealten Streit darüber klären, woher und wann die Erde einst ihren Kohlenstoff erhielt. Denn dies lässt sich anhand der Verteilung des schweren Kohlenstoffisotops in Erdmantel und Erdkern eingrenzen. Um diese zu erklären, muss demnach ein Großteil des irdischen Kohlenstoffs erst in der Spätphase der Planetenbildung auf die junge Erde gelangt sein - kurz vor der Kollision der Erde mit dem Protoplaneten Theia, die den Erdmond schuf.
Überraschend ist jedoch, woher diese „späte“ Kohlenstoff-Lieferung stammte: Vergleiche mit verschiedenen Himmelskörpern und Asteroiden im Sonnensystem enthüllten, dass die Isotopensignatur nicht zu Gesteinsbrocken aus dem inneren Sonnensystem passt. „Der im Kern gespeicherte Kohlenstoff erfordert einen Zustrom von Material, das sowohl kohlenstoffreich als auch isotopisch schwer war – eine Kombination, die nur auf kohlenstoffhaltige Chondrite aus dem äußeren Sonnensystem zutrifft“, berichten Moussallam und seine Kollegen.
Irdische Kohlenstoffgeschichte mit zwei Kapiteln
„Damit ergibt sich das Bild zweier klar voneinander abgrenzbarer Kapitel in der Kohlenstoffgeschichte der Erde: Erst gab es eine frühe Zufuhr von Material aus kohlenstoffhaltigen Chondriten: Sie hinterließ den schweren Kohlenstoff im Erdkern“, so die Geologen. „Das zweite Kapitel begann während oder kurz nach der mondbildenden Kollision der jungen Erde. In dieser Phase wurde leichterer Kohlenstoff aus dem inneren Sonnensystem in den Erdmantel eingelagert.“
Nach Ansicht der Forschenden liefern ihre Resultate damit einen wichtigen Hinweis darauf, woher das Element stammt, auf dem alles irdische Leben basiert. Gleichzeitig bestätigen sie, dass der Erdkern keineswegs isoliert ist, sondern auch heute noch Material an den Erdmantel und über die Vulkane sogar an die Erdoberfläche abgibt.
Quelle: Yves Moussallam (Lamont–Doherty Earth Observatory, Columbia University, New York) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; doi: 10.1073/pnas.2610912123
