Gesundheit : Schmiermittel im Erdinnern

Deutsche Forscher entdeckten, wie die Wasserschicht entsteht, die ganze Kontinente bewegt

Roland Knauer

Gemächlich und scheinbar unaufhaltsam wie ein Supertanker auf den Weltmeeren gleiten Platten mit ganzen Kontinenten und Ozeanen auf ihrem Rücken über die tieferen Schichten des Erdinnern. Nur ist so eine Erdplatte viel gigantischer als ein Supertanker und rutscht nur wenige Zentimeter im Jahr. Wasser bildet dabei eine Art Schmiermittel zu den tieferen Gesteinsschichten. Wie diese Gleitschicht aber entsteht, wusste niemand, bis Hans Keppler von der Universität Bayreuth und Katrin Mierdel von der Tübinger Universität ein Experiment machten, dass sie eigentlich gar nicht geplant hatten.

„Wir hatten einfach nur eine Apparatur, mit der wir das Verhalten von Gestein bei relativ niedrigem Druck untersuchen konnten“, erklärt Hans Keppler. Katrin Mierdel aber wollte in ihrer Doktorarbeit das Verhalten der Minerale Olivin und Orthopyroxen eigentlich bei hohem Druck untersuchen. Um nicht untätig auf eine geeignete Hochdruckapparatur zu warten, bat der Forscher seine Doktorandin, doch erst einmal die beiden Mineralien mit den vorhandenen Möglichkeiten bei niedrigem Druck zu untersuchen.

Das Ergebnis verblüffte die Fachwelt: Während Olivin sich ganz normal, wie in der Theorie erwartet, verhält und bei steigendem Druck immer mehr Wasser aufnimmt, reagiert Orthopyroxen genau umgekehrt: Je höher der Druck, umso weniger Wasser bleibt im Mineral.

Um zu erklären, wie dieses unerwartete Verhalten des Gesteins das Rutschen der Erdplatten auf tieferen Schichten des Erdinnern ermöglicht, holt Hans Keppler ein wenig weiter aus: So gibt es im Erdmantel in Tiefen zwischen 40 und 2900 Kilometern im Prinzip merkliche Mengen an Wasser. Noch einmal rund die Hälfte der Flüssigkeitsmenge der Weltmeere ist dort unten unter gewaltigem Druck in das Gestein gepresst. In einer Tiefe von zwischen 60 und 220 Kilometern aber ist das Gestein weniger fest, schlossen Geoforscher aus Erdbebenwellen. Diese werden nämlich in dieser Region erheblich langsamer, erklären kann man diese Abbremsung mit weicherem Gestein. Damit war zwar klar, dass die Erdplatten offensichtlich auf der Asthenosphäre genannten weicheren Gesteinsschicht rutschen. Weshalb aber diese Asthenosphäre tatsächlich weicher als das Gestein darüber und darunter ist, konnten erst Hans Keppler und seine Kollegen mit ihrem gar nicht geplanten Experiment erklären.

Olivin und Orthopyroxen sind wichtige Bestandteile des Erdmantels. Wenn aber der Druck mit der Tiefe zunimmt und damit Olivin immer mehr, Orthopyroxen aber immer weniger Wasser aufnimmt, kann man leicht ausrechnen, dass verschiedene Tiefen auch verschiedene Wassermengen aufnehmen können. Genau das haben Hans Keppler und seine Kollegen getan und stellten dabei fest, dass im Bereich der Asthenosphäre das vorhandene Wasser nicht mehr vollständig ins Gestein passt.

Während unter und über der Asthenosphäre alles vorhandene Wasser also im Gestein festsitzt, gibt es in der Asthenosphäre selbst auch ein wenig „richtiges“ Wasser außerhalb der Mineralien. Solche Wasserspuren aber können den Schmelzpunkt von Gestein drastisch verringern. Da unter Ozeanen die Temperatur mit der Tiefe deutlich schneller wächst als unter Kontinenten, gibt es schon 60 bis 80 Kilometer unter dem Meer kleine Bereiche, in denen ein wenig Gestein geschmolzen ist, weil dort Wasser den Schmelzpunkt verringert. Auch wenn das meiste Gestein fest bleibt, genügen diese geschmolzenen Zonen, um das Gestein insgesamt erheblich weicher zu machen. Unter Kontinenten beginnt dieses teilweise Aufschmelzen dagegen erst in 150 Kilometern Tiefe. Egal ob unter dem Meer oder unter Kontinenten, in 220 Kilometern Tiefe wird das Gestein wieder härter. Dort kann das Olivin so viel Wasser aufnehmen, dass keine Flüssigkeit mehr übrigbleibt, die den Schmelzpunkt von Gestein verringern könnte.

Mit einem Schlag haben die Forscher damit nicht nur erklärt, wie die Asthenosphäre entsteht, auf deren weicherem Gestein die Erdplatten wie unendlich große und unendlich langsame Supertanker gleiten (Science, Band 315, Seite 364). Gleichzeitig haben sie auch gezeigt, weshalb es auf dem Mars und der Venus eine solche Plattentektonik genannte Bewegung nicht gibt: Dort gibt es einfach nicht genug Wasser zur Bildung einer weichen Asthenosphäre.

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