Röntgenblick in abtauchende Erdplatten

Die dünne Erdkruste weicht erheblich auf, wenn sie mit einer tektonischen Platte ins Erdinnere abtaucht. Das zeigen Röntgen­untersuchungen eines Minerals, das in basaltischer Kruste in großem Umfang vorkommt, mit Desys Röntgen­lichtquelle Petra III. 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 nun berichtet. Die abgeschälte Erdkruste hat andere physikalische Eigen­schaften als der restliche Erdmantel, was möglicherweise Anomalien in der Ausbreitungs­geschwindigkeit von Erdbeben­wellen im Erdmantel erklären kann.

Den Forschenden 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 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 unter anderem durch seine kubische Kristall­struktur von anderen Perowskiten. In ausreichender Tiefe kann es rund ein Viertel der abtauchenden basaltischen Ozean­kruste ausmachen.

Mit einer Spezial­apparatur an der Extreme Conditions Beamline (P02.2) bei Petra III konnte das Team nun Davemaoit künstlich herstellen und mit dem Röntgen­strahl durchleuchten. Dazu erhitzten die Forschenden fein gemahlenes Wollasto­nit (CaSiO₃) bei hohem Druck auf rund 900 Grad Celsius, 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 1300 Kilometern Tiefe.

„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 sogenannten 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 Erdbebenwellen­geschwindig­keiten erklären kann, die in verschiedenen Erdtiefen beobachtet werden. Bislang war jedoch unklar, welche Ursachen zu so einer Ablösung, der Dela­mination, führen können. „Ich freue mich, dass der hier entwickelte Versuchs­aufbau zur Lösung wichtiger Fragen beitragen kann, die mit Prozessen im tiefen Inneren unseres Planeten verknüpft sind“, sagt Hanns-Peter Liermann, Leiter der Extreme Conditions Beamline.

DESY / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Immoor et al.: Weak cubic CaSiO₃ perovskite in the Earth’s mantle, Nature 603, 276 (2022); DOI: 10.1038/s41586-021-04378-2
• Experimentelle Geochemie und Geophysik, Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth
• Extreme Conditions Beamline (P02.2) bei PETRA III, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg