Röntgenblick in urzeitlichen Magma-Ozean

Mit der brillantesten Röntgenquelle der Welt haben Forscher erstmals einen Blick ins Innere von geschmolzenem Magma unter den Bedingungen des tiefen Erdmantels geworfen. Die Untersuchung an DESYs Forschungslichtquelle PETRA III zeigt, dass geschmolzener Basalt unter hohem Druck, wie er im Erdmantel herrscht, seine Struktur verändert. Bei Drücken von bis zu 60 Gigapascal, das entspricht einer Tiefe von 1400 Kilometern unter der Erde, geht das Magma in einen steiferen und dichteren Zustand über, wie die Wissenschaftler um Hauptautorin Chrystèle Sanloup von der Universität Edinburgh berichten.

Die Ergebnisse stützen die Vorstellung, dass der Mantel der jungen Erde einst zwei unterirdische Magma-Ozeane beherbergt hat, die von einer festen Schicht getrennt wurden. Heute sind diese urzeitlichen Magma-Ozeane kristallisiert, aber geschmolzenes Magma existiert noch in lokalen Taschen und möglicherweise in dünnen Schichten im Mantel.

„Silikat-Flüssigkeiten wie basaltisches Magma spielen eine Schlüsselrolle in allen Evolutionsphasen der inneren Erde, von der Kern- und Krustenbildung vor Milliarden von Jahren bis zu vulkanischer Aktivität heute", betont Sanloup. Um das Verhalten von Magma im tiefen Erdmantel zu untersuchen, haben die Forscher kleine Basaltproben in einer Diamantstempelzelle mit bis zum 600.000-fachen des normalen Atmosphärendrucks zusammengepresst.

„Aber um basaltisches Magma zu untersuchen, wie es auch heute im Erdmantel in lokalen Taschen vorkommt, mussten wir die Probe erst einmal aufschmelzen“, erläutert Ko-Autorin Zuzana Konôpková von DESY, die die Experimente an DESYs Extreme Conditions Beamline (ECB; Messstation für extreme Zustände) P02 bei PETRA III unterstützt hat.

Die Gruppe nutzte zwei starke Infrarotlaser, die jeweils eine Leistung von 40 Watt auf eine Fläche von nur 20 Mikrometern Durchmesser konzentrieren. Zum Vergleich: Das ist eine rund 2000 Mal höhere Leistungsdichte als die Sonne auf ihrer Oberfläche besitzt. Dank einer geschickten Anordnung der Laseroptik konnten die Forscher die Heizlaser direkt durch die Diamanten auf die Probe schießen und diese in der Stempelpresse in wenigen Sekunden auf bis zu 3000 Grad Celsius aufheizen.

Um eine Überhitzung der Diamantstempelzelle und damit verzerrte Messungen zu vermeiden, wurden die Heizlaser lediglich für einige Sekunden kurz vor und während der Untersuchung mit dem Röntgenstrahl auf die Probe geleitet. Ausreichend kurze Untersuchungszeiten, die für diese Art Schmelzexperimente von zentraler Bedeutung sind, werden erst durch die enorme Helligkeit des Röntgenlichts in der ECB-Messstation möglich, wie Konôpková betont. „Zum ersten Mal konnten wir Strukturänderungen in geschmolzenem Magma über einen so weiten Druckbereich untersuchen.“

Das intensive Röntgenlicht zeigt, dass die sogenannte Koordinationszahl von Silizium, dem häufigsten chemischen Element in Magmen, unter hohem Druck in der Schmelze von 4 auf 6 steigt. Das bedeutet, während die Siliziumionen sich so neu anordnen hat jedes von ihnen sechs nächste Sauerstoff-Nachbarn statt der üblichen vier unter niedrigem Druck. In der Folge steigt die Dichte des flüssigen Basalts von etwa 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter bei niedrigem Druck auf knapp 5 Gramm pro Kubikzentimeter bei 60 Gigapascal.

„Eine wichtige Frage lautete, wie diese Änderung der Koordinationszahl in der Schmelze abläuft, und wie dies die physikalischen und chemischen Eigenschaften beeinflusst“, erläutert Sanloup. „Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Koordinationszahl in Magmen nach und nach zwischen 10 und 35 Gigapascal ändert. Wenn sie abgeschlossen ist, sind die Magmen viel steifer und lassen sich viel weniger zusammendrücken.“ Bei festem Silikat steigt die Koordinationszahl dagegen sprunghaft bei etwa 25 Gigapascal, wodurch die Grenze zwischen oberem und unterem Erdmantel definiert ist.

Diese Eigenschaft der Magmen lässt es möglich erscheinen, dass in der jungen Erde mehrere Magma-Ozeane in Schichten existiert haben können. „Unter niedrigem Druck lassen sich Magmen viel leichter zusammenpressen als ihre kristallinen Pendants, während sie oberhalb von 35 Gigapascal fast genauso steif sind“, betont Sanloup. „Das legt nahe, dass Magmen in der frühen Geschichte der Erde, als sie zu kristallisieren begann, am Boden des oberen und des unteren Erdmantels negativen Auftrieb besessen haben könnten. Das könnte zur Existenz von zwei Magma-Ozeanen mit einer kristallinen Trennschicht geführt haben, wie andere Forscher früher bereits vorgeschlagen haben.“

Unter dem hohen Druck des unteren Erdmantels steigt die Dichte des Magmas demnach so weit, bis Gestein schließlich nicht mehr einsinkt, sondern auf dieser Schicht schwimmt. Auf diese Weise könnte sich eine kristalline Grenzschicht zwischen einem unteren und einem oberen Magma-Ozean in der jungen Erde gebildet haben.

Forscher postulieren eine Schichtung mehrerer Magma-Ozeane, um Abschätzungen für die Dauer der Magma-Ozean-Ära mit Modellrechnungen zur Abkühlung solcher Magma-Ozeane in Einklang zu bringen. Denn während geochronologische Abschätzungen ergeben, dass die Magma-Ozean-Ära einige Dutzend Millionen Jahre gedauert haben muss, zeigen die Modellrechnungen, dass ein einzelner Magma-Ozean viel schneller in nur etwa einer Million Jahre ausgekühlt wäre. Eine kristalline Schicht würde auch als Wärmeisolation wirken und könnte das Auskühlen entsprechend bremsen. Die noch heute seismologisch nachweisbaren isolierten Taschen mit Gesteinsschmelze oberhalb vom Erdkern könnten Überbleibsel eines tiefen Magma-Ozeans sein.

DESY / PH