Fehlendes Blei im Erdmantel könnte Rätsel der Erde lösen

Blei steht im Mittelpunkt eines der rätselhaftesten Geheimnisse der Erde: Ein grosser Teil davon ist verschwunden. Es wurde nicht einfach verlegt, sondern fehlt auf eine Weise, die Forschende seit Jahrzehnten vor ein Rätsel stellt.

Blei ist weit mehr als nur ein Schwermetall. Für unseren Planeten fungiert es als eine Art Zeitmesser. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen verschiedene Bleiformen, um das Alter von Gesteinen zu bestimmen und nachzuvollziehen, wie die Erde vor Milliarden Jahren entstand.

Solche Hinweise helfen dabei, die Geschichte unseres Planeten von seinen frühesten Anfängen an zu rekonstruieren. Vergleichen Forschende jedoch irdische Gesteine mit uralten Meteoriten, geht die Rechnung nicht auf.

Oberflächennahe Gesteine enthalten zu viel „junges“ Blei und zu wenig von jener ursprünglichen Variante, die seit Beginn vorhanden sein müsste.

Dadurch wirkt die Erde jünger, als sie tatsächlich ist – was offenkundig nicht stimmen kann. Wohin ist das fehlende Blei also verschwunden?

Die Antwort könnte weit unter der Erdoberfläche liegen, an einem Ort, den noch kein Mensch erreicht hat.

Verhalten von Blei unter hohem Druck

Forschende der Asian School of the Environment (ASE) an der Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) haben nun eine neue Erklärung aufgezeigt.

Der Studie zufolge hat die Erde ihr Blei gar nicht verloren. Stattdessen könnte es sich tief in ihrem Inneren verborgen haben.

Das von Professor Simon Redfern und Dr. Liu Siyu geleitete Team untersuchte, wie sich Blei unter extremem Druck verhält. Dort herrschen dieselben gewaltigen Druckbedingungen wie im Erdmantel, der mächtigen Schicht zwischen Erdkruste und Erdkern.

Anstatt – wie vielfach angenommen – in den Kern abzusinken, könnte sich Blei zu Beginn der Erdgeschichte mit Schwefel verbunden und im Mantel abgelagert haben. Dort wäre es möglicherweise über Milliarden Jahre eingeschlossen geblieben.

Warum Blei so wichtig ist

Blei kommt in mehreren Formen vor, den sogenannten Isotopen. Drei davon entstehen im Lauf der Zeit durch radioaktiven Zerfall. Uran und Thorium zerfallen langsam zu Blei und wirken damit wie eine natürliche Uhr.

Die vierte Variante, Blei-204, unterscheidet sich davon. Sie existiert seit der Entstehung der Erde und entsteht nicht durch Zerfall. Dadurch ist sie ein wichtiger Marker für uraltes Material.

Durch den Vergleich dieser Formen können Forschende das Alter von Gesteinen abschätzen. Ein Gestein mit mehr durch Zerfall gebildetem Blei ist jünger, während eines mit mehr ursprünglichem Blei älter ist.

Das Problem: In Oberflächengesteinen der Erde findet sich nicht genug von diesem ursprünglichen Blei. Es scheint zu fehlen, und diese Lücke liess sich bislang nur schwer erklären.

In unsichtbaren Mineralien eingeschlossen

Das Forschungsteam richtete den Blick auf Bleisulfid, eine Verbindung, die entsteht, wenn Blei sich an Schwefel bindet. Da Blei sich von Natur aus bevorzugt mit Schwefel verbindet, galt dies als besonders plausibler Kandidat.

Mithilfe fortschrittlicher Computersimulationen stellten die Fachleute fest, dass Bleisulfid unter hohem Druck ausserordentlich stabil wird. Es kann selbst bei Temperaturen von bis zu 4.980 °C fest bleiben – heisser als die Bedingungen in weiten Teilen des Erdmantels.

Demnach könnte uraltes Blei tief im Untergrund in fester Form eingeschlossen worden sein, abgeschnitten von den Prozessen, welche die Oberflächengesteine prägen. Das würde erklären, weshalb es nicht dort auftaucht, wo Forschende es erwartet hatten.

Neue Blei-Schwefel-Minerale im Erdmantel

Die Simulationen brachten zudem einen weiteren Befund hervor. Das Team sagte zwei neue Arten von Blei-Schwefel-Verbindungen voraus: PbS₂ und PbS₃.

Diese Minerale bilden sich wahrscheinlich in schwefelreichen Bereichen des Mantels. Eines von ihnen bleibt unter Bedingungen des oberen Erdmantels fest. Das andere kann leichter schmelzen.

Wenn die weichere Verbindung schmilzt, kann sie nach oben wandern. Beim Aufstieg könnte sie geringe Mengen uralten Bleis mitführen. Das könnte erklären, warum sehr altes Blei mitunter in Vulkangesteinen vorkommt.

Das Blei ist also nicht verschwunden. Es tritt lediglich im Lauf der Zeit langsam aus.

Eine virtuelle Reise ins Erdinnere

Niemand kann Tausende Kilometer unter die Erdoberfläche reisen, um dies unmittelbar zu überprüfen. Deshalb griffen die Forschenden auf leistungsstarke Computermodelle zurück.

Sie verwendeten Software, die vorhersagt, wie sich Atome unter extremen Bedingungen anordnen. Indem sie die passenden Temperaturen und Drücke vorgaben, bildeten sie die Umgebung tief im Erdinneren nach.

Die Ergebnisse zeigten, dass diese Blei-Schwefel-Minerale stabil genug sind, um Milliarden Jahre zu überdauern. Sie halten Hitze und Druck stand und bleiben dabei eingeschlossen.

Das stützt die Annahme, dass das fehlende Blei die ganze Zeit über still im Erdmantel gelegen hat.

Folgen für die Erde und darüber hinaus

Dieser Befund verändert die Sicht von Forschenden auf die Chemie der Erde. Er zeigt, dass Schwefel bei der Speicherung von Metallen tief im Untergrund eine grössere Rolle spielt als erwartet.

Zugleich trägt er dazu bei, ungewöhnliche Muster in Vulkangesteinen zu erklären. Für diese Spuren uralten Bleis gibt es nun eine eindeutige Quelle.

Über die Erde hinaus eröffnet die Untersuchung neue Möglichkeiten, andere Gesteinsplaneten zu verstehen. Wenn Schwefel hier Metalle wie Blei einschliessen kann, könnte dies auch auf Planeten wie dem Mars geschehen.

Das könnte verändern, wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Planetenentstehung im gesamten Sonnensystem erforschen.

Der nächste Schritt unter Tage

Die Arbeit ist noch nicht abgeschlossen. Das Team plant, im Labor mantelähnliche Bedingungen nachzustellen, um seine Vorhersagen zu überprüfen.

Die Forschenden werden Hochdruckgeräte einsetzen, um festzustellen, ob sich diese Minerale tatsächlich so bilden, wie die Modelle es nahelegen.

Ausserdem wollen sie durch vulkanische Aktivität an die Oberfläche gelangte Gesteinsproben untersuchen und nach realen Anzeichen dieser verborgenen Verbindungen suchen.

Das Rätsel um das fehlende Blei könnte damit endlich kurz vor einer Lösung stehen. Und wie so oft in der Wissenschaft weist die Lösung eines Problems bereits auf neue Fragen hin, die unter der Oberfläche warten.

Die vollständige Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.