Irdisches Mineral speichert genügend Kohlenstoff – „um eine Eiszeit auszulösen“

Smektite sind ein Gemisch aus verschiedenen quellfreudigen Tonmineralen, die häufig auf Meeresböden vorkommen. Neben ihren geochemischen Eigenschaften besitzen sie auch die Fähigkeit, Kohlenstoff über Millionen Jahre hinweg zu binden. Letzteres entdeckten vor Kurzem US-amerikanische Geologen. Gespeichert wird der Kohlenstoff in Falten, die einer Ziehharmonika gleichen und erst unter dem Mikroskop sichtbar werden.

Ebenso neu ist die Erkenntnis, dass die Kohlenstoff einfangenden Tone ein Produkt der Plattentektonik sind. Genauer gesagt, bilden sich diese Minerale nach der Kollision einer ozeanischen Kruste und einer kontinentalen Platte. Dieser Prozess bringt schließlich Gesteine an die Oberfläche, die dort verwittern und dadurch Smektite bilden.

Schließlich setze sich das tonhaltige Sediment wieder im Meer ab, wo die Mineralien in ihren mikroskopisch kleinen Falten Teile toter Organismen einschließen. Auf diese Weise wird verhindert, dass der organische Kohlenstoff von Mikroben aufgefressen wird und Kohlendioxid entsteht.

Verursacher der Eiszeit?

Über Millionen Jahre können Smektite eine globale Wirkung haben und zur Kühlung des gesamten Planeten beitragen, so die Forscher des Massachusetts-Instituts für Technologie in einer Pressemitteilung.

Anhand einer Reihe von Analysen zeige sich, dass Smektite wahrscheinlich nach mehreren großen tektonischen Ereignissen in den letzten 500 Millionen Jahren entstanden sind. Während jedes tektonischen Ereignisses sollen die Tone genügend Kohlenstoff eingeschlossen haben, um die Erde abzukühlen und eine Eiszeit auszulösen. Anzumerken bleibt in diesem Zusammenhang, dass in der Wissenschaft nach wie vor umstritten ist, ob und in welchem Ausmaß CO₂ die Temperaturen beeinflusst oder andersherum.

Unabhängig davon sind diese Tone bis heute in bestimmten tektonisch aktiven Regionen zu finden. Deshalb vermuten die Wissenschaftler, dass das Mineral weiterhin Kohlenstoff bindet.

Die neue Studie knüpft an frühere Arbeiten des Teams an, laut denen jede der großen Eiszeiten durch ein tektonisches Ereignis in den Tropen ausgelöst worden sein könnte. Demnach sollen bei jedem tektonischen Ereignis durch Auffaltungen Ozeanfelsen an die Erdoberfläche gelangt sein. Anschließend sollen diese in tropischen Region bestimmten Verwitterungsfaktoren ausgesetzt gewesen sein, die das Gestein in verschiedene Mineralien – einschließlich Ton – verwandelten.

Damals sei unklar gewesen, welche Mineralien aus der Verwitterung hervorgehen könnten und ob und wie diese Mineralien zur Kühlung des Planeten beitragen könnten. Für die Forscher erschien ein Zusammenhang zwischen Plattentektonik und Eiszeiten logisch, auch wenn der genaue Mechanismus unklar war.

Mineral im Fokus von Simulationen

In der neuen Studie untersuchten die Geologen, ob der von ihnen vorgeschlagene tektonische Verwitterungsprozess in den Tropen Kohlenstoff bindende Mineralien produzieren würde – und das in Mengen, die ausreichen würden, um eine globale Eiszeit auszulösen. Hierfür sammelten sie Daten über die Art und Weise, wie wichtige Minerale im Laufe der Zeit verwittern und welche Tonminerale dabei entstehen könnten und stellten dies in einer Simulation dar.

Als Nächstes fügten sie jedes verwitterte „Endprodukt“-Mineral in eine Simulation des Kohlenstoffkreislaufs der Erde ein, um zu sehen, welche Auswirkungen ein bestimmtes Mineral haben könnte. Sie simulierten sowohl die Wechselwirkung mit organischem Kohlenstoff, wie zum Beispiel mit Teilen toter Organismen, als auch mit anorganischem Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid in der Atmosphäre.

Diese Analysen ergaben, dass ein Mineral eindeutig vorhanden war und eine Wirkung hatte: Smektit. Dieser könne nicht nur ein natürliches Verwitterungsprodukt der tropischen Tektonik darstellen, sondern auch ein äußerst wirksames Mittel zur Bindung von organischem Kohlenstoff, so die Forscher.

„Leider werden die Tone, wenn sie von anderen Sedimenten begraben werden, ein wenig gekocht, sodass wir sie nicht direkt messen können“, erklärt Murray. „Aber wir können nach ihren Fingerabdrücken suchen.“

Suche nach dem Mineral-Fingerabdruck

Die Geologen zogen den Schluss, dass Smektite ein Produkt der Ozeanfelsen sein mussten und dass diese häufig mit Nickel und Chrom vorkommen. Wenn die Tonminerale in der Vergangenheit vorhanden waren, müssten auch Nickel und Chrom vorhanden sein, so die Forscher.

Um diese Annahme zu überprüfen, durchsuchten die Geologen eine Datenbank aus Tausenden ozeanischen Sedimentgesteinen nach jenen, die aus der Zeit der vier großen Eiszeiten stammen. In diesen Gesteinsproben beobachteten die Forscher große Mengen an Nickel und Chrom und schlossen daraus, dass auch Smektite vorhanden gewesen sein müssen.

Nach ihren Schätzungen könne das Tonmineral die Konservierung von organischem Kohlenstoff um weniger als ein Zehntel Prozent erhöht haben. In absoluten Zahlen ausgedrückt sei dies ein winziger Betrag. Doch über Millionen Jahre hinweg soll dies rein rechnerisch ausgereicht haben, um jede der vier großen Eiszeiten auszulösen.

„Alle Komponenten berücksichtigen“

„Wir haben herausgefunden, dass man wirklich nicht viel von diesem Material braucht, um einen großen Einfluss auf das Klima zu haben“, sagt Jagoutz. „Diese Tone haben wahrscheinlich auch einen Teil zur Abkühlung der Erde in den letzten drei bis fünf Millionen Jahren beigetragen, bevor der Mensch ins Spiel kam.“

Lee Kump, Professor für Geowissenschaften an der Penn State University, der nicht an der Studie beteiligt war, ergänzt: „Die Arbeit von Jagoutz und Murray zeigt sehr schön, wie wichtig es ist, alle biotischen und physikalischen Komponenten des globalen Kohlenstoffkreislaufs zu berücksichtigen.“  Ob dies geschehen ist, bleibt fraglich, denn ob Chrom und Nickel auch durch andere Prozesse entstanden und abgelagert worden sein könnten, wird nicht beantwortet. Ebenfalls unberücksichtigt bleibt in dieser Überlegung der Einfluss der Sonne.

Die Studie erschien am 30. November 2023 im Fachmagazin „Nature Geoscience“.