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1000 km tief im Erdmantel: Bedingungen erstmals im Labor nachgebildet

Abbildung: Der Erdmantel (hellgrün) ist der riesige Bereich im Erdinneren zwischen Erdkruste und Erdkern (grau). Er besteht hauptsächlich aus Peridotitgestein (grün). Die dichte und kalte ozeanische Lithosphäre aus Peridotit und einer basaltischen Kruste (braun) kann tief in den Erdmantel absinken. Unsere Experimente helfen uns zu verstehen, wie sich Peridotitgesteine dabei in den verschiedenen Tiefen des Erdmantels (rotes und grünes Viereck) verformen. Insbesondere schließen wir aus den Experimenten, wie die Minerale des Peridotits, die in den grünen und roten Kreisen dargestellt sind, ihre Orientierung aufgrund von Stress und Hitze in der Tiefe ändern. Bridgmanit-Kristalle (blau) richten sich zueinander aus, Ferroperiklas-Kristalle (rot) nicht.


Die tiefsten Bohrungen in die Erde reichen gerade mal wenige Kilometer in die Tiefe. Unser Wissen über die Beschaffenheit des Erdmantels und die plastische Verformung der Gesteine dort beruht bisher auf der Untersuchung von seismischen Wellen und deren Aufspaltung oder Verlangsamung auf ihrem Weg durch das Erdinnere. Nun ist es Wissenschaftler*innen gelungen, die extremen Bedingungen des Erdmantels in circa 1000 km Tiefe erstmals im Labor nachzubilden. Sie haben das Mineral Olivin unter anderem dem 400.000 fachen unseres Umgebungsdruck im „Extreme Conditions Beamline“ der DESY-Röntgenstrahlungsquelle PETRA III ausgesetzt, komprimiert und gleichzeitig auf über 700 Grad Celsius erhitzt. Dabei schufen sie die für den Erdmantel typischen Minerale Bridgmanit, welches 40 Prozent des Volumens der Erde ausmacht und Ferroperiklas, ein weiteres häufiges Mineral.

Die Korn-zu-Korn-Wechselwirkungen zwischen Bridgmanit und Ferroperiklas zeigten ein ungewöhnliches Verhalten, welches erklären könnte, warum bei der Ausbreitung von Erdbebenwellen durch die Erde bestimmte Richtungsunterschiede (Anistropien) beobachtet werden. Mit den Untersuchungen wird es einfacher, das Verhalten von geschmolzenen Gesteinen beim Aufstieg aus dem Erdmantel zu verstehen. Die Konvektion im Erdmantel bestimmt die Plattentektonik und steht somit in direktem Zusammenhang mit der Vulkan- und Erdbebenaktivität unseres Planeten. Die Studie gilt derzeit als engste Annäherung für deformierte Proben der Zusammensetzung des unteren Erdmantels. Sie erschien in der wissenschaftlichen Zeitschrift Frontiers in Earth Science.

Originalstudie: Couper S, Speziale S, Marquardt H, Liermann H-P and Miyagi L (2020) Does Heterogeneous Strain Act as a Control on Seismic Anisotropy in Earth’s Lower Mantle?. Front. Earth Sci. 8:540449. doi:10.3389/feart.2020.540449

Wissenschaftlicher Kontakt:
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Chemie und Physik der Geomaterialien
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