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Röntgenblick in abtauchende Erdplatten Wenn extremer Druck die Erdkruste erweicht

Quelle: Pressemitteilung

Abtauchen ist auch für die Erde selbst kein Fremdwort: ihre tektonischen Platten verschieben sich übereinander, sodass manche in tiefere Zonen des Erdmantels gedrückt werden. Nun haben Forscher die extremen Druckverhältnisse dieser Prozesse im Labor nachgestellt und neue Erkenntnisse über die beteiligten Mineralien und deren Härte gewonnen.

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Blick ins Innere der Erde: Die Untersuchungsbedingungen der Studie am DESY entsprechen einer Tiefe von bis zu 1.300 Kilometern.
Blick ins Innere der Erde: Die Untersuchungsbedingungen der Studie am DESY entsprechen einer Tiefe von bis zu 1.300 Kilometern.
(Bild: DESY / Franziska Lorenz & Jochen Stuhrmann/illustrato)

Bayreuth, Hamburg – Die Erde stellen wir uns als harten Felsbrocken im Sonnensystem vor. Doch die dünne Erdkruste weicht erheblich auf, wenn sie mit einer tektonischen Platte ins Erdinnere abtaucht. Das zeigen Röntgenuntersuchungen eines Minerals, das in so genannter basaltischer Kruste in großem Umfang vorkommt. Das Aufweichen kann sogar dazu führen, dass sich die Kruste von der darunter liegenden Platte abschält, wie das internationale Team um Hauke Marquardt von der Universität Oxford in seiner Studie berichtet. Die abgeschälte Erdkruste hat andere physikalische Eigenschaften als der restliche Erdmantel, was möglicherweise Anomalien in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen im Erdmantel erklären kann.

Verformungsverhalten in 500 Kilometern Tiefe

Den Wissenschaftlern ist es gelungen, erstmals das Verformungsverhalten des Minerals Davemaoit unter den Bedingungen des Erdmantels zu messen. „Davemaoit gehört zur weit verbreiteten Gruppe der Perowskite, entsteht allerdings erst ab einer Tiefe von etwa 550 Kilometern durch steigenden Druck und Temperatur aus anderen Mineralen“, erläutert Hauptautorin Julia Immoor vom Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth. Die Existenz des Minerals war seit Jahrzehnten vorhergesagt worden, erst 2021 wurde jedoch ein natürliches Stück davon gefunden. Davemaoit unterscheidet sich u. a. durch seine kubische Kristallstruktur von anderen Perowskiten. In ausreichender Tiefe kann es rund ein Viertel der abtauchenden basaltischen Ozeankruste ausmachen.

Das Erdinnere im Labor: In der luftleeren Experimentierkammer wird die Probe aufgeheizt, während sie zwischen zwei ultraharten Diamant-Stempeln unter Hochdruck gesetzt wird. Während des gesamten Prozesses lässt sich die Probe mit dem hochbrillanten Röntgenstrahl von PETRA III durchleuchten und analysieren.
Das Erdinnere im Labor: In der luftleeren Experimentierkammer wird die Probe aufgeheizt, während sie zwischen zwei ultraharten Diamant-Stempeln unter Hochdruck gesetzt wird. Während des gesamten Prozesses lässt sich die Probe mit dem hochbrillanten Röntgenstrahl von PETRA III durchleuchten und analysieren.
(Bild: University of Oxford, Hauke Marquardt)

Mit einer Spezialapparatur am Extreme Conditions Beamline (P02.2) bei PETRA III vom Deutschen Elektronen Synchrotron DESY hat das Team nun Davemaoit künstlich hergestellt und mit dem Röntgenstrahl durchleuchtet. Dazu erhitzten die Forscher fein gemahlenes Wollastonit (CaSiO3) bei hohem Druck auf rund 900 °C, bis sich Davemaoit bildete. Anschließend wurde das Mineral durch steigenden Druck von bis zu 57 Gigapascal verformt und dabei per Röntgenstrahl untersucht. Diese Parameter entsprechen den Bedingungen in bis zu 1.300 Kilometern Tiefe. Zum Vergleich: Am tiefsten Punkt im Meer, dem knapp 11 km tiefen Marianengraben, herrscht „nur“ ein Druck von 0,11 GPas.

Überraschend weiches Mineral

„Die Messungen unter hohem Druck zeigen, dass Davemaoit im tiefen Erdmantel überraschend weich ist“, berichtet Forschungsleiter Marquardt. „Diese Beobachtung ändert unsere Vorstellung vom dynamischen Verhalten der abtauchenden Platten im tiefen Mantel komplett.“ Die Dynamik in solchen so genannten Subduktionszonen, in denen eine tektonische Platte unter die andere taucht, hängt stark von der Härte der anwesenden Minerale ab. Das überraschend weiche Davemaoit in der absinkenden Erdkruste kann dafür sorgen, dass diese sich von der darunter liegenden Platte ablöst und der weitere Subduktionsprozess dann getrennt für Kruste und die restliche Platte verläuft.

Über eine solche Ablösung wird seit langem spekuliert, weil die abgelöste Erdkruste charakteristische Änderungen von Erdbebenwellengeschwindgeiten erklären kann, die in verschiedenen Erdtiefen beobachtet werden. Bislang war jedoch unklar, welche Ursachen zu so einer Ablösung, der so genannten Delamination, führen können.

An der Untersuchung waren Forscher der Universitäten von Bayreuth, Oxford und Utah sowie vom Geoforschungszentrum Potsdam GFZ, vom California Institute of Technology und von DESY beteiligt. Das Projekt wurde zum Teil von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG finanziert.

Originalpublikation: J. Immoor, L. Miyagi, H.-P. Liermann, S. Speziale, K. Schulze, J. Buchen, A. Kurnosov & H. Marquardt: Weak cubic CaSiO3 perovskite in the Earth’s mantle, Nature volume 603, pages 276–279 (2022); DOI: 10.1038/s41586-021-04378-2

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