Hogedruksynthetische vorming van U2[CO3]3 en U[CO3]2 als mogelijke gastfasen voor uranium in de mantel van de Aarde

Verborgen warmte diep in de Aarde

Een groot deel van de interne warmte van de Aarde komt voort uit de langzame radioactieve vervalprocessen van elementen zoals uranium. Deze warmte drijft plaattektoniek aan, voedt vulkanisme en vormt de planeet over miljarden jaren. Toch weten wetenschappers nog niet precies waar en in welke vorm uranium diep in de mantel is opgeslagen. Deze studie onderzoekt een onverwachte mogelijkheid: dat bepaalde koolstofrijke gesteenten ver onder ons uranium kunnen herbergen in speciale koolstofhoudende mineralen, wat kan helpen verklaren hoe warmte wordt geproduceerd en hoe elementen zich in het inwendige van de Aarde verplaatsen.

Waarom uraniums diepe verblijfplaats ertoe doet

Meting van zwakke deeltjes, geoneutrino’s genoemd, tonen aan dat uranium een groot deel van de interne warmte van de Aarde levert. In de buurt van het oppervlak komt uranium voor in verschillende mineralen, vaak gebonden aan zuurstof in bekende vormen zoals uraninit en uranylkoolzouten. De mantel — de uitgestrekte rotslaag tussen korst en kern — is echter anders. De meest voorkomende mantelmineralen nemen niet gemakkelijk veel uranium op, dus moeten er andere, ongewonere gastheren zijn. Tegelijk weten we uit diamanten en hogedrukexperimenten dat delen van de diepe mantel verrassend rijk aan koolstof kunnen zijn. Dat roept een belangrijke vraag op: kunnen carbonaten, mineralen opgebouwd uit koolstof- en zuurstofgroepen, uranium opsluiten onder de immense drukken en hoge temperaturen die honderden kilometers dieper heersen?

De diepe Aarde nabootsen in het laboratorium

Om dit idee te testen, recreërden de onderzoekers omstandigheden zoals in de transitiezone van de Aarde, op ongeveer 600 kilometer diepte. Ze gebruikten een apparaat dat een diamant-amandelcel heet, waarmee een klein monster tussen twee diamanten wordt samengeknepen om drukken van ongeveer 20 gigapascal te bereiken — meer dan 200.000 keer de atmosferische druk. Ze plaatsten een klein kristal van uraniummonoxide, een veelvoorkomend uraniumoxide, in deze miniatuur-drukkamer en omringden het met vast kooldioxide. Vervolgens verwarmden ze het monster met een laser tot ongeveer 1.800 kelvin, vergelijkbaar met de temperaturen die in dat deel van de mantel verwacht worden. Tijdens en na het verwarmen onderzochten ze het monster met Raman-spectroscopie, die meet hoe licht op atomaire trillingen reageert, en met krachtige synchrotronstralen röntgenstraling die de atomaire ordening van nieuw gevormde kristallen kunnen onthullen.

Ontdekking van nieuwe uraniumhoudende mineralen

De experimenten toonden aan dat uraniummonoxide reageerde met samengeperst kooldioxide en twee geheel nieuwe uraniumcarbonaten vormde, beide zonder water in hun structuur. Eén verbinding, genoemd U2[CO3]3, bevat uranium in een relatief lage ladingsstaat (vaak aangeduid als “trivalent”), terwijl de andere, U[CO3]2, uranium in een iets hogere ladingsstaat bevat (“tetravalent”). In beide mineralen vormen koolstof en zuurstof platte, driehoekige groepen die opgestapeld en op verschillende manieren verbonden zijn, met uraniumatomen die omsloten worden door onregelmatige kooien van zuurstofatomen. Met synchrotron-röntgendiffractie bepaalde het team de gedetailleerde driedimensionale atoomordening voor elke verbinding. Ze gebruikten vervolgens geavanceerde computerberekeningen op basis van kwantummechanica om te bevestigen dat deze ordeningen stabiel zijn en om te onderzoeken hoe samendrukbaar de nieuwe mineralen zijn onder druk.

Wat de atomaire structuren onthullen

De structurele gegevens en berekeningen laten zien dat deze nieuwe uraniumcarbonaten zich grotendeels gedragen als andere hogedrukcarbonaten die meer voorkomende metalen zoals calcium of strontium bevatten. De afstanden tussen uranium- en zuurstofatomen en de manier waarop de carbonategroepen met elkaar verbonden zijn, komen overeen met sterke, stabiele bindingen, zelfs bij zeer hoge drukken. Belangrijk is dat het uranium in gereduceerdere vormen voorkomt vergeleken met de gebruikelijk sterk geladen staat in uranyl-mineralen nabij het oppervlak. Dat sluit aan bij de zuurstofarme, reducerende omstandigheden die dieper in de mantel verwacht worden. De mechanische eigenschappen — de wijze waarop de kristallen samendrukken — liggen ook in hetzelfde bereik als bekende mantelrelevante carbonaten, wat suggereert dat deze fasen onder realistische diepe-Aarde-omstandigheden kunnen overleven.

Wat dit betekent voor het inwendige van de Aarde

Door deze twee nieuwe uraniumcarbonaten te synthetiseren en te karakteriseren, toont de studie aan dat eenvoudige, watervrije carbonaatmineralen inderdaad uranium kunnen huisvesten bij de drukken en temperaturen van de diepe mantel, met name in koolstofrijke regio’s. Dit biedt een plausibele verklaring voor waar een deel van het uranium van de Aarde kan verblijven wanneer plaattektoniek oppervlaktgesteenten naar beneden voert. Als uranylkoolzouten die nabij het oppervlak gevormd zijn in de mantel worden meegevoerd, kunnen ze mogelijk transformeren in gereduceerde uraniumcarbonaten zoals die hier ontdekt zijn, waardoor radioactieve elementen en hun warmte ver ver onder onze voeten worden opgeslagen. Toekomstig onderzoek naar hoe stabiel deze mineralen zijn naast andere mantelgesteenten zal verder verduidelijken hoe uranium in het interieur van de Aarde verdeeld wordt en hoe het bijdraagt aan de langetermijn thermische motor van onze planeet.

Bronvermelding: Spahr, D., Bayarjargal, L., Bykova, E. et al. High-pressure synthesis of U₂[CO₃]₃ and U[CO₃]₂ as potential host phases for uranium in the Earth’s mantle. Commun Chem 9, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01911-0

Trefwoorden: uraniumcarbonaten, Aardmantel, hogedrukmineralen, diepe koolstofcyclus, radiogene warmte