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Neues vom Planetenrecycling

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 28.05.2014 17:11

Erdkruste, Erdmantel und Erdkern - und alles noch einmal aufgeteilt in oben und unten, innen und außen: Der innere Aufbau der Erde ist sehr komplex - und uns unzugänglich. Selbst mit den tiefsten Bohrungen kratzen wir gerade einmal an der Oberfläche. Was beispielsweise in 2900 Kilometer Tiefe passiert, wo der äußere, flüssige Erdkern an den unteren, festen Erdmantel grenzt, davon haben wir kaum eine Vorstellung. Hier oben gibt es nichts, was ihm entspräche: So soll der Gegensatz zwischen dem Erdkern und Erdmantel viel höher sein als der zwischen Erdkruste und Luft. Und so erscheinen im Wissenschaftsmagazin Science gleich zwei Aufsätze, die an der gängigen Sicht der Geophysiker über die Tiefen der Erde rütteln.

Der Aufbau der Erde. (Bild: Nasa/MPIK)Der untere Erdmantel ist unerreichbar weit weg: Er beginnt 670 Kilometer unter unseren Füßen und reicht 2900 Kilometer weit hinab, grenzt an den Erdkern. Was die Geophysiker wissen, stammt meist aus der Analyse von Erdbebenwellen, und die verrät, dass an der Grenze zwischen Erdmantel und Erdkerne eine bizarre Zone existiert. Seismische Tomogramme zeigen darin steile, scharf begrenzte Blöcke und bandartige Strukturen, in denen es wiederum Bereiche gibt, wo Erdbebenwellen extrem langsam werden: ein Zeichen dafür, dass das Gestein zu schmelzen beginnt. Denis Andrault und seine Kollegen von der Université Blaise Pascal in Clermont-Ferrand haben nun mit Laborexperimenten und Modellrechnungen Indizien gesammelt, was in dieser seltsamen Zone passiert. Sie umgibt den Erdkern nicht vollständig. Vielmehr entsteht sie überall dort, wo „Zungen“ ehemaligen Meeresbodens auf den Erdkern treffen. Dieser ehemalige Meeresboden war einst im Rahmen der Plattentektonik in Kollisionszonen zwischen den großen Krustenplatten in den Erdmantel gesunken, war subduziert worden.

Denis Andrault bei der Vorbereitung des Hochdruckexperiments. (Bild: ESRF/B. Faust)Meeresboden besteht aus Basalt, und mit ihm gelangt Material von der Oberfläche tief ins Erdinnere hinein: „Wir wollten wissen, ob und wann dieser Basalt schmilzt, ob er sich mit dem Material des Erdmantels mischt, oder ob diese ehemalige Meereskrustenplatte isoliert bleibt und eine Art 'Friedhof' bildet", so Denis Andrault. Denn bislang gibt es zwei Theorien dazu, was dort unten passiert. Die eine besagt, dass der Erdmantel selbst zu schmelzen beginnt, während die andere davon ausgeht, dass dieses Schicksal dem Basalt der Meereskruste vorbehalten ist. In 2900 Kilometern Tiefe herrschen Drücke von 1,3 Millionen Atmosphären und Temperaturen von einigen Tausend Grad. Erst seit einigen Jahren gibt es Geräte, die leistungsfähig genug sind, um die Verhältnisse im tiefen Erdinneren nachzustellen. Und so setzte die Forschergruppe die Europäische Synchrotronstrahlungsquelle im französischen Grenoble ein. Das ist ein Hightech-Forschungszentrum, das mit einem Ringbeschleuniger besonders "helle" Röntgenstrahlung erzeugt. "Wir brachten mikroskopisch kleine Basalt-Proben mit Diamanthochdruckpresse und Laser auf die passenden Temperaturen und Drücke und beobachteten die Veränderungen mit einem extrem hellen Röntgenstrahl", erklärt Andrault.

Diamantstempelpresse: Basaltproben unter Bedingungen wie im Erdinneren. (Bild: ESRF/B.Faust)Das Resultat: Die Experimente zeigten, dass der Basalt unter den immensen Drücken dort unten schmilzt, während sich das umgebende Mantelgestein offenbar nicht verflüssigt. Tatsächlich wird die ehemalige Meereskruste in dieser bizarren Zone also recycelt, geht im umgebenden Gestein auf: "Das Ganze läuft in einer Art Brei ab", erklärt Andrault, "in dem Geschmolzenes sofort mit dem Mantelgestein reagiert und Festes nachgeschmolzen wird." Der Austausch zwischen dem von der Oberfläche stammenden Material und dem des Mantels sei entsprechend intensiv, so der französische Geochemiker. Sollte dieser Befund zutreffen, könnte man die Temperaturen in der Grenzzone auf einen Bereich zwischen 3525 und 3875 Grad Celsius festlegen, die Schmelztemperatur von Basalt würde die untere, die von Mantelgestein die obere Grenze markieren. Und damit wäre dieser Bereich etwas kühler als angenommen.

Das Arbeitsprinzip der Hochdruck-Diamantpresse mit 2 Lasern. (Bild: ESRF/B. Faust)Dass dieses Mantelmaterial jedoch ganz anders zusammengesetzt sein könnte, als angenommen, erklärt die Geophysikerin Li Zhang, die an der Carnegie-Stiftung in Washington und am Zentrum für Hochdruck-Wissenschaft und -Technologie in Shanghai arbeitet. Auch sie hat im Labor das Erdinnere simuliert. Allerdings ging es ihr um die Minerale, die den Erdmantel aufbauen. "Bislang sind wir davon ausgegangen, dass der untere Mantel aus einem Mineral namens Perowskit besteht - genauer, aus einer Form des Perowskits, die neben Calcium, Titan und Sauerstoff auch Eisen enthält. Wir konnten nun experimentell nachweisen, dass diese Variante im unteren Erdmantel überhaupt nicht stabil wäre." Tatsächlich verliert der Perowskit im Hochdruckexperiment das Eisen, das reagiert mit dem Material der Umgebung. "Zurück bleibt ein eisenfreier Perowskit und eine neue, eisenreiche Mineralphase, die wir bislang noch nicht kannten", so Li. Die unterscheidet sich in ihren Eigenschaften vom klassischen Perowskit. "Das wäre ein wirklich wichtiges Ergebnis, denn dieser Bereich macht volumenmäßig mehr als die Hälfte unseres Planeten aus", betont die Forscherin.