Tiefe Einsichten

Der unterste Bereich des Erdmantels besteht nach neusten Erkenntnissen japanischer und schweizerischer Forscher aus einem bisher unbekannten Mineral.

Zürich - Der unterste Bereich des Erdmantels besteht aus einem bisher unbekannten Mineral. Diese These vertreten ein ETH-Forscher und sein japanischer Kollege in der neusten Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature". Mit Berechnungen und Hochdruck-Experimenten konnten die beiden zeigen, dass die bisherigen Erklärungsansätze nicht korrekt sind. Die Entdeckung wirft ein neues Licht auf die Vorgänge tief im Erdinnern.
Der unterste Bereich des Erdmantels - die D"-Schicht - stellt die Geophysiker schon seit längerem vor große Probleme. Diese unregelmäßig verlaufende Schicht, die im Durchschnitt rund 150 Kilometer mächtig ist, weist völlig andere physikalische Eigenschaften auf als die darüber liegenden Einheiten. Warum der Erdmantel am Übergang zum Erdkern derart anders aufgebaut ist, konnte bislang nicht plausibel erklärt werden. Artem R. Oganov vom Laboratorium für Kristallographie der ETH Zürich und Shigeaki Ono von der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology berichten nun in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift "Nature", dass die D"-Schicht aus einem bisher unbekannten Mineral bestehen muss.

Beobachtungen neu interpretieren
Die Entdeckung des Minerals wirft ein neues Licht auf die Vorgänge im Erdmantel und dürfte die geophysikalische Forschung maßgeblich beeinflussen. Die D''-Schicht spielt beispielsweise bei der Entstehung von heißen Mantelplumes eine wichtige Rolle. Diese Mantelplumes sind etwa für den Vulkanismus auf Island oder Hawaii verantwortlich. Auf Grund der neuen Entdeckung müssen nun verschiedene Beobachtungen des Erdmantels neu interpretiert werden.

Überraschende Kristallstruktur
Auf Grund von quantenmechanischen Berechnungen und Hochdruck-Experimenten konnten die beiden Forscher zeigen, dass sich das Mineral Perovskit, der wichtigste Baustein des unteren Erdmantels, bei extrem hohem Druck zu Post-Perovskit umwandelt. Das bisher unbekannte Mineral weist die gleiche chemische Zusammensetzung auf wie Perovskit, verfügt jedoch überraschenderweise über eine geschichtete Kristallstruktur. Dies ist für diesen Bereich des Erdmantels sehr ungewöhnlich und wurde von den Forschern nicht erwartet. Mit der neuen Kristallstruktur lässt sich auch erklären, warum die Gesteine der D"-Schicht so anisotrop sind und derart andere seismische Eigenschaften aufweisen als die darüber liegenden Mantelgesteine, die aus dem fast isotropen Mineral Perovskit bestehen.

Abhängig von der Temperatur
Die D"-Schicht besitzt eine ungewöhnliche Topographie. Die beiden Forscher können diese nun erklären. Bei welchem Druck sich Perovskit zu Post-Perovskit umwandelt, hängt nämlich entscheidend von der Temperatur ab. Je nachdem, wie heiß die Mantelgesteine sind, erfolgt der Phasenübergang in unterschiedlicher Tiefe. Dort, wo der Erdmantel besonders heiß ist, ist die D''-Schicht nur wenige dutzend Kilometer mächtig. In den "kühleren" Regionen hingegen kann sie eine Ausdehnung von 300 Kilometern erreichen.

Quelle: idw

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  Artem R. Oganov und Shigeaki Ono, Theoretical and experimental evidence for a post-perovskite phase of MgSiO ₃ in Earth’s D`` layer, Nature 430, 445 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02701
  T. Iitaka, K. Hirose, K. Kawamura und M. Murakami, The elasticity of the MgSiO ₃ postperovskite phase in the Earth’s lowermost mantle, Nature 430, 442 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02702   
• Laboratorium für Kristallographie, ETH Zürich:
  http://www.crystal.mat.ethz.ch   
• Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology:
  http://www.jamstec.go.jp/jamstec-e/index-e.html   
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Erdkern-Erdmantel-Übergang finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Geophysik.