2700 Kilometer unter der Erde

Mit Hochdruck wie in 2700 Kilometern Tiefe hat ein internationales Forscherteam neue Einblicke in die Eigenschaften des häufigsten Minerals der Erde gewonnen: Die Messungen zeigen, wie sich Bridgmanit an der Grenze zum Erdkern in sogenanntes Post-Perowskit umwandelt. Beide besitzen dieselbe chemische Zusammensetzung, aber einen unterschiedlichen inneren Aufbau. Da Bridgmanit der Hauptbestandteil des Erdmantels ist, hat diese Strukturumwandlung erhebliche Auswirkungen auf die Dynamik im unteren Erdmantel, einschließlich der Ausbreitung von Erdbebenwellen. Die Untersuchungen an der Extreme Conditions Beamline der Röntgenlichtquelle Petra-III am Desy können bestimmte irreguläre seismische Beobachtungen erklären, wie das Team unter Leitung von Sébastien Merkel von der Universität Lille berichtet.

Bridgmanit ist ein Magnesium-Eisen-Mineral, (Mg,Fe)SiO₃, das unter Normalbedingungen nicht stabil ist. Es bildet sich erst bei hohen Drücken in etwa 660 Kilometern unter der Erdoberfläche. Die einzigen je an der Oberfläche entdeckten Proben sind mikrokristalline Einschlüsse in Meteoriten. „Um Bridgmanit unter den Bedingungen des unteren Erdmantels untersuchen zu können, mussten wir das Mineral zuerst produzieren“, erklärt Merkel. Dazu komprimierten die Wissenschaftler winzige Mengen Eisen-Magnesium-Silizium-Oxid in einer Diamantstempelzelle. Mit dieser Apparatur lassen sich Proben mit extrem hohem Druck zwischen zwei kleinen ultrastabilen Diamantstempeln zusammenpressen.

Das auf diese Weise frisch produzierte Bridgmanit setzten die Forscherinnen und Forscher dann direkt noch stärker unter Druck: Bei 1,2 Megabar erreichten sie die Bedingungen, die in der untersten Schicht des Erdmantels knapp über dem Kern herrschen. Diese Schicht reflektiert seismische Wellen auf ihrer Reise durch das Erdinnere, die Art und Weise mit der das geschieht hängt allerdings von den Eigenschaften des jeweiligen Materials ab, auf das sie treffen. „Seismische Wellen verhalten sich in dieser Region manchmal merkwürdig“, berichtet Merkel. „Manchmal sieht man starke Reflexionen, und manchmal sieht man gar nichts.“

Die Forscher vermuten seit langem, dass eine Strukturänderung von Bridgmanit ein wichtiger Teil der Erklärung für dieses ungewöhnliche Verhalten der seismischen Wellen ist. Diese Strukturänderung führt zu unterschiedlichen Eigenschaften des Magnesium-Eisen-Minerals. „Wir wissen seit 15 Jahren, dass sich Bridgmanit unter diesen Bedingungen in eine andere Kristallstruktur namens Post-Perowskit umwandelt“, erklärt Merkel. „Was wir bisher nicht wussten, war, wie schnell es das tut.“