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Eine genaue Kenntnis der geologischen Zyklen von volatilen Elementen, wie z.B. Stickstoff (N) und Kohlenstoff (C), ist wichtig, um die Verteilung dieser Elemente zwischen den Reservoiren der festen Erde (Kern, Mantel und Kruste), dem Ozean und der Atmosphäre zu verstehen. Der Austausch von Stickstoff zwischen diesen Reservoiren im Laufe der geologischen Entwicklung unserer Erde hat ganz entscheidend die einzigartige Zusammensetzung der Erdatmosphäre beeinflusst, die erst Leben an der Erdoberfläche möglich macht. In den letzten beiden Jahrzehnten sind fundamentale Aspekte der Stickstoff-Geochemie durch Studien an terrestrischen Proben sowie durch experimentelle und theoretische Studien untersucht worden.

Subduktionszonen stellen den wichtigsten Austauschpfad für Stickstoff zwischen den Reservoiren der Erdoberfläche und der tiefen Erde dar. Eine zentrale Frage ist dabei, wie groß die Anteile sind, die in der subduzierten Platte verbleiben und dem Erdmantel zugeführt werden, oder durch Magmatismus direkt wieder zurück in die Atmosphäre gelangen. Der Einbau von Stickstoff in Minerale als Ammonium-Ion () hat dabei einen wichtigen Einfluss, da die Stabilität der Minerale abhängig von der Temperatur ist. Somit kann in „kalten“ Subduktionszonen mit einem niedrigen geothermischen Gradienten Stickstoff überwiegend in den Mantel transportiert werden, während in „warmen“ Subduktionszonen mit hohem geothermischem Gradienten die stickstoffhaltigen Minerale Stickstoff leichter freisetzen, welcher so umgehend in die Atmosphäre zurückgeführt wird.

Während verschiedene Untersuchungen zeigen, dass es im Laufe der geologischen Entwicklung eine Zunahme von Stickstoff im Erdmantel gibt [2], ist dies durchaus ein umstrittenes Thema, da andere Daten auf eine gegenteilige Entwicklung hinweisen. Unstrittig ist jedoch die Tatsache, dass er größte Teil des terrestrischen Stickstoffs (ca. 57%) im Mantel gebunden ist. Neben der Erdatmosphäre (c. 27%) ist auch die kontinentale Kruste (ca. 14%) mit einem Durchschnittsgehalt von 74±4 ppm ein bedeutendes Reservoir für Stickstoff in der Erde [3].

Literatur:

• Halama, R. & Bebout, G. (2021). Earth’s Nitrogen and Carbon Cycles. Space Science Reviews 217:45. https://link.springer.com/article/10.1007/s11214-021-00826-7
• Halama, R., Bebout, G., John, T. & Scambelluri, M. (2014). Nitrogen recycling in subducted mantle rocks and implications for the global nitrogen cycle. https://link.springer.com/article/10.1007/s00531-012-0782-3
• Halama, R., Bebout, G. & Bea, F. (2021). Nitrogen loss and isotopic fractionation during granulite-facies metamorphism in the lower crust (Ivrea Zone, NW Italy). Chemical Geology 584:120475. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120475