Ca-Phosphate im tiefen Erdinneren

Das Element Phosphor und die Halogen-Elemente Fluor und Chlor sind wesentlich für die Entwicklung und die Aufrechterhaltung des Lebens auf der Erde. Phosphor ist unverzichtbar für die Energieversorgung der Zellen, sodass ohne dieses Element kein höheres Leben möglich ist. Fluor und Phosphor sind darüber hinaus von größter Bedeutung für Bio-Mineralisation in Form von Knochen und Zähnen. Chlor wiederum spielt eine wesentliche Rolle bei der Signalleitung in Nerven oder der Entwicklung von tierischem Gewebe. Die Verfügbarkeit dieser Elemente in der Biosphäre wird von einem Austausch mit dem Erdinneren bestimmt, der bereits seit der Entstehung des Lebens abläuft. Gesteinsverwitterung und Vulkanismus sind Prozesse, die Phosphor und Halogene für die Biosphäre verfügbar machen. Der Rücktransport dieser Elemente aus der Biosphäre ins Erdinnere wiederum geschieht durch einen Prozess, der als Subduktion bezeichnet wird und der vermutlich bereits in einem sehr frühen Stadium der Erdgeschichte vor über 4 Milliarden Jahren begonnen hat. Die Subduktion sorgt für eine kontinuierliche, wenn auch fast unvorstellbar langsame Durchmischung der obersten ca. 2900 km des Erdinnern. Zu diesem Bereich zählen die Erdkruste und der Erdmantel, die zusammen mit dem Erdkern die drei fundamentalen Bausteine der Erde bilden. Zahlreiche Aspekte der Verteilung und des Transports von Phosphor und den Halogenen im Erdmantel, besonders im unteren Erdmantel in Tiefen von über 600 km, sind nach wie vor unvollständig oder gar nicht verstanden. Es ist bekannt, dass eine spezielle Gruppe von Mineralen, die sogenannten Kalzium-Phosphate, also Verbindungen von Kalzium, Phosphor und Sauerstoff, ein sehr wichtige Rolle beim Transport und der Speicherung von Phosphor und Halogenen in den obersten 600 km des Erdinneren spielen. Ob die Kalzium- Phosphate auch in noch größeren Tiefen eine Rolle spielen bzw. welche Minerale dort alternativ als Speicher für Phosphor und Halogene wirken und wie diese Elemente in die Strukturen der entsprechenden Minerale eingebaut werden, ist nach wie vor völlig unbekannt. Dieses Wissen jedoch ist von entscheidender Bedeutung für eine korrekte Abschätzung der Mengen an Phosphor und Halogenen, die im Laufe der Erdgeschichte zwischen der Biosphäre und dem Erdinnern ausgetauscht worden sind. Dieses Forschungsprojekt versucht, zur Klärung dieser Fragen einen wesentlichen Beitrag zu leisten und dadurch zu einem besseren Verständnis des globalen Kreislaufs des Phosphors und der Halogene beizutragen.

Phosphor spielt eine entscheidende Rolle für die Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde, da Phosphor-Verbindungen zu den Grundbausteinen der DNS aller heute vorkommenden Lebewesen zählen. Phosphor wird durch die Verwitterung von Phosphor-haltigen Gesteinen für die Biosphäre verfügbar gemacht, die einem Gesteinskreislauf unterworfen sind, der im Verlauf von Millionen von Jahren Gesteine aus dem Erdinneren an die Oberfläche transportiert und von dort wieder in die Tiefe zurückführt. Dieser Prozess wird als Subduktion bezeichnet und sorgt für eine stetige Durchmischung des Erdinneren bis in ca. 3000 km Tiefe. Der wichtigste Träger von Phosphor in allen wichtigen Gesteinen bis zu einer Tiefe von ca. 270 km ist das Kalzium-Phosphat Mineral Apatit mit einer Formel Ca5(PO4)3(OH, F, Cl), das neben Phosphor auch Wasser, Halogene und Spurenelemente speichern kann, darunter Uran und Thorium, die für die Wärmeproduktion im Erdinneren bedeutend sind. Dadurch spielt Apatit eine entscheidende Rolle für den Wasser-, Halogen- und Spurenelement-Kreislauf der Erde. Werden Apatit-haltige Gesteine in Tiefen von über 270 km transportiert, wandelt sich Apatit in das Mineral Tuit mit einer Formel Ca3(PO4)2 um, das zwar Phosphor, aber weder Wasser noch Halogene einbauen kann. Ziel dieses Projektes war es, mit Hochdruck-Hochtemperatur Experimenten die Speicherung von Phosphor und Spurenelementen in den wichtigsten Gesteinen des tiefen Erdinneren, den Peridotiten, und die Rolle, die Tuit bzw. mögliche weitere Phosphatminerale dabei spielen, besser zu verstehen. Die Studie konnte zeigen, dass Tuit in einem Peridotit bis zu mindestens 880 km Tiefe und bis zu mindestens 2000C stabil ist, sodass eine Tuit-Stabilität im unteren Erdmantel als gesichert gelten kann. Die Experimente zeigen weiter, dass bis zu ca. 650 km Tiefe nicht nur Tuit, sondern auch einige der Silikatphasen des oberen Erdmantels, nämlich Olivin bzw. seine Hochdruck-Varianten und Granat, bedeutende Mengen an Phosphor einbauen können. Dies bedeutet, dass der Transport und die Speicherung von Phosphor im oberen Erdmantel zwischen ca. 100 und 650 km Tiefe durch Phosphate und Silikate gemeinsam erfolgt, wobei die Rolle der Silikate mit steigender Tiefe immer wichtiger wird. Dies ändert sich ab einer Tiefe von ca. 660 km am Übergang vom oberen zum unteren Erdmantel, ab der die Gesteine eine ganz neue Kombination von Silikat- und Oxid-Mineralphasen enthalten. Diese Phasen können im Druck-Temperaturbereich der Experimente nur kleinste Mengen an Phosphor einbauen, sodass sie als wichtige Speicher- und Transportphasen für Phosphor nicht in Frage kommen. Dies legt den Schluss nahe, dass im unteren Erdmantel Phosphatphasen wie Tuit eine Schlüsselrolle bei der Speicherung von Phosphor spielen, sobald der Gesamt-Phosphorgehalt der Gesteine eine Konzentration von ca. 0.01 Gew.% überschreitet.