Woher kommt der Schwefel im Erdmantel?

Wenn Forscher mehr über die Herkunft eines Elements erfahren wollen, analysieren sie meist das Verhältnis seiner natürlich vorkommenden Isotope, die eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Atomkern aufweisen. Ein gutes Beispiel dafür ist Schwefel: Die Verteilung seiner Isotope im Erdgestein gleicht der in einer bestimmten Klasse von Meteoriten. Deshalb wird angenommen, dass Schwefel größtenteils durch den Einschlag von Asteroiden in den Erdmantel gelangte. Ein Forscherteam widerspricht nun dieser Vorstellung. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, stamme zumindest ein Teil des Schwefels aus dem Inneren der Erde, als sich Kern und Mantel formten.

Die Forscher um Jarbane Labidi von der Universität Paris-Diderot untersuchten Basaltgestein aus dem südlichen Teil des mittelatlantischen Rückens. Entlang dieser Zone schiebt sich flüssiges Gestein aus dem Erdmantel nach oben, erstarrt teilweise und treibt so die Erdplatten um wenige Zentimeter pro Jahr auseinander. Labidi und seine Kollegen lösten zunächst mit chemischen Verfahren den Schwefel aus den Gesteinsproben und analysierten anschließend die Isotope mit Massenspektrometern und Gas-Chromatografen. Ihre Analyse ergab, dass die Verteilung der Isotope Schwefel-32 und Schwefel-34 im Gestein deutlich weniger gleichförmig ist als bisher angenommen. Wegen dieser Bandbreite nimmt Labidis Team an, dass ein großer Teil des Schwefels aus dem Erdmantel stammt, wohin er während der Trennung von Mantel und Kern vor über vier Milliarden Jahren gelangte. Der andere Teil könnte von oberflächlichen Sedimenten kommen, die sich später wieder unter das Mantelgestein gemischt hätten.

Selbst wenn man die unterschiedlichen Verteilungen der Schwefelisotope zusammennimmt, seien sie noch immer 0,13 Prozent niedriger als in den sogenannten Chondriten, erklären die Forscher. Chondriten machen über 80 Prozent der auf der Erde gefundenen Meteorite aus. Ihr Gestein stammt ursprünglich aus dem Asteroidengürtel und entstand in der frühen Phase des Sonnensystems vor etwa 4,5 Milliarden. Sie sollen den heute vorkommenden Schwefel in den Erdmantel transportiert haben, indem Asteroiden die Bahn des Planeten kreuzten. Dass der Erdmantel kaum eigenen Schwefel enthielt, begründeten Forscher bislang mit der Beschaffenheit des Erdkerns, der hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht. Schwefel gehört zu den Elementen, die eine hohe Affinität zu Eisen und anderen Metallen haben, ähnlich wie die Elemente Selen oder Tellur. Als sich Erdkern und Erdmantel bildeten, soll sich deshalb 97 Prozent des vorhandenen Schwefels im Kern angereichert haben, sodass für den Mantel kaum etwas übrig blieb.

Beim Vergleich ihrer Ergebnisse mit früheren Experimenten weisen die Forscher darauf hin, dass viele Parameter während der Trennung von Mantel und Kern nicht genau bekannt seien, wie zum Beispiel die durchschnittliche Temperatur. Deswegen werden wohl auch weiterhin zahlreiche Modelle diskutiert werden, wie sich die Erde geformt hat und welchen Einfluss das auf die Verteilung der Elemente hatte. So ist auch nicht abschließend geklärt, ob Asteroiden weitere wichtige Elemente für die Entwicklung von Leben auf die Erde brachten, oder sogar ganze Biomoleküle, aus denen sich die ersten Organismen entwickelten. Die Resultate von Labidi und seinen Kollegen sind auf jeden Fall interessant, wenn es um die Frage geht, ob auch im Mantel von erdähnlichen Exoplaneten Schwefel zu erwarten ist, da sie sich ähnlich geformt haben könnten wie unser Planet.