Von der Kruste in den Mantel und zurück

Um den Urankreislauf (und den Gesteinskreislauf) zu untersuchen, analysierten die Forscher Basalte aus dem Bereich von mittelozeanischen R¨¹cken, so genannte MORBs (Mid-ocean ridge basalts). An diesen Stellen driften ozeanische Krusten auseinander, sodass an der Nahtstelle relativ junges vulkanisches Material aus dem oberen Erdmantel austritt. Die Urananteile von MORBs verglichen sie mit denen von Basalten, die von Ozeaninseln wie Hawaii oder den Kanaren stammen. Diese Inseln liegen inmitten von Platten und wurden wohl von Magmas?ulen, den Mantelplumes, gebildet. Diese f?rdern Material aus dem Grenzbereich von Erdkern und Erdmantel an Oberfl?che. Es ist viel ?lter als dasjenige der MORBs und d¨¹rfte ein bis zwei Milliarden Jahre alt sein.

Zum Vergleich bestimmten die Forschenden ¨¹berdies die Verh?ltnisse der Uranisotope von Meteoriten, die aus dem gleichen Ausgangsmaterial wie die Erde bestehen und damit die urspr¨¹ngliche Uran-Komposition der Kruste aufweisen.

Schweres Uran bleibt oben

Das Isotopenverh?ltnis von Uran-238 zu Uran-235 war bei MORBs deutlich gr?sser als bei Inselbasalten. Auch war das Verh?ltnis h?her als dasjenige von Meteoriten. Das spricht laut Andersen daf¨¹r, dass das in MORBs enthaltene Uran sowohl auf dem Land als auch im Wasser Kontakt mit Sauerstoff hatte und sich demnach zu einer Zeit ver?nderte, als sowohl Atmosph?re als auch Wasser mit dem Gas versorgt waren. Erst danach wurde die ozeanische Kruste, welche das ver?nderte Uran aufgenommen hatte, durch Subduktion in den oberen Mantel gezogen. Durch die Konvektion, also die walzenf?rmige Bewegung im oberen Mantel, wurde dieses Plattenmaterial schliesslich in den Bereich der mittelozeanischen R¨¹cken transportiert und als MORB zur¨¹ck an die Oberfl?che bef?rdert.

Den h?heren Anteil von Uran-238 in den MORBs erkl?rt der Mitautor der Studie, Heye Freymuth von der Universit?t Bristol, wie folgt: ?Unterschiede im Isotopen-Verh?ltnis bilden sich vor allem dann, wenn Uran in beiden Oxidationsgraden, also als Uran(IV) und Uran(VI), vorliegen kann. Dies war nach dem ersten Anstieg des Sauerstoffgehalts vor rund 2,4 Milliarden Jahren auf der Erdoberfl?che jedoch nicht m?glich, weil die Ozeane noch nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt waren.?

Im Vergleich zu den Bedingungen von vor 600 Millionen Jahren beim zweiten markanten Anstieg des Sauerstoffgehalts habe sich vor allem die Tatsache ge?ndert, dass Ver?nderungen der ozeanischen Kruste am Meeresboden unter oxidierten Bedingungen zum bevorzugten Einbau von Uran-238 gef¨¹hrt h?tten, w?hrend sich das leichtere Uran-235 im Meerwasser anreicherte.

Zwar sei weiterhin ozeanische Kruste in den Erdmantel transportiert worden, aber ¨C verursacht durch die Oxidation der Ozeane ¨C zum erstem Mal mit einem Uranisotopenverh?ltnis, das sich von dem des Erdmantels unterschied.

Uralte Inselbasalte

Anders die Inselbasalte. Ihr Verh?ltnis von Uran-238 zu Uran-235 entsprach demjenigen der Vergleichsmeteoriten. Dies erkl?ren die Forscher damit, dass alte ozeanische Kruste, die kein oder nur wenig Sauerstoffkontakt hatte, im Lauf der Zeit in den unteren Mantel gelangte. Die Messungen der Uranisotopen an Inselbasalten ergaben, dass diese Gesteine nicht von jungen subduzierten Ozeankrusten stammen k?nnen. Die Quellen dieser Vulkangesteine m¨¹ssen demnach ?lter sein als 600 Millionen Jahre. Bisherige Modelle gaben das Alter dieser Quellen im tiefen Erdmantel mit 1,8 bis 2,4 Milliarden Jahre an. Durch die Messung der Uranisotope in Inselbasalten konnte das Forschungsteam dieses Alter nun zum ersten Mal durch Daten belegen.

Heisse Debatte ¨¹ber Fr¨¹hzeit der Erde

Die Studie ¨¹ber den Uran- und damit den Krustenkreislauf bringt neue Aspekte in die Debatte dar¨¹ber ein, wie sich das Gesicht der Erde ¨¹ber die Jahrmilliarden ver?ndert hat. ?F¨¹r die Erdwissenschaftler ist dies eine der heissesten aktuellen Forschungsfragen?, betont Andersen. Besonders lebhaft debattieren Fachleute, wie sich die Sauerstoffkonzentration in der Atmosph?re entwickelt hat. Denn damit h?ngen auch viele geologische Verwitterungsprozesse zusammen ¨C auch das Schicksal des Urans.

?Ein wichtiges Resultat dieser Studie ist, wie ver?ndernde Bedingungen an der Erdoberfl?che und die Zunahme von Sauerstoff in der Atmosph?re die Zusammensetzung der tiefen Erde beeinflussen. Unsere Resultate lassen vermuten, dass Uran aufgrund der Ver?nderungen in den vergangenen 600 Mio. Jahren von der Oberfl?che mobilisiert, ins Erdinnere transportiert und im Mantel verbreitet wurde?, sagt Andersen.

Die vorliegende Studie sei vor allem Grundlagenforschung. Die gefundenen Uranisotopen-Signaturen k?nnten jedoch wirtschaftlich daf¨¹r genutzt werden, um unbekannte Uranvorkommen aufzusp¨¹ren. Das Forschungsgebiet sei jedoch noch recht jung und bed¨¹rfe weiterer Studien. Die erste grundlegende wissenschaftliche Arbeit ¨¹ber das Isotopenverh?ltnis U-238 zu U-235 ist erst 2007 ver?ffentlicht worden. Diese zeigte das Potential von Uranisotopen auf. Die Studie von Andersen und Kollegen ist die erste, die das Uranisotopenverh?ltnis f¨¹r die Untersuchung magmatischer Gesteine nutzt und auf Recyclingprozesse in der tiefen Erde anwendet.