Geologie: Reise zum Mittelpunkt der Erde

Die Erde ist eine Scheibe. Zu diesem Schluss müsste man unweigerlich kommen, würde man eine Karte des Wissens über unseren Planeten erstellen. Die Oberfläche mit Gebirgen, Dschungeln, Wüsten und Gletschern ist von zahlreichen Expeditionen erkundet worden. In die dritte Dimension jedoch sind die Wissenschaftler kaum vorgedrungen. Mit rund zwölf Kilometern Tiefe hat das tiefste Bohrloch der Welt auf der russischen Halbinsel Kola gerade ein Fünfhundertstel des Erdradius erschlossen.

Dank seismischer Wellen wissen die Forscher zumindest, wie es ungefähr weitergeht. Unser Planet besteht aus mehreren Schalen: Unter der dünnen Erdkruste folgt der weitgehend feste Erdmantel, darunter der äußere Erdkern, der flüssig ist. Ganz unten, im Zentrum, befindet sich ein fester Kern.

Wie es in den einzelnen Stockwerken aussieht, lässt sich nur mühsam herausfinden. Ein persönlicher Besuch, wie ihn Jules Verne in seinem Abenteuerroman ersann, ist ausgeschlossen, denn mit jedem Kilometer nehmen Druck und Temperatur zu. Abgesehen davon, dass es in der Tiefe keine Hohlräume gibt – kein „Erdschiff“ könnte diesen höllischen Bedingungen standhalten.

Dennoch können Geoforscher zumindest in Gedanken in die Tiefe reisen: Mithilfe beheizbarer Hochdruckapparate simulieren sie die Bedingungen in der tiefen Erde und versuchen anhand von Materialproben herauszufinden, was dort unten vor sich geht. Einer dieser Tiefenpioniere ist Wilhelm Heinrich vom Deutschen Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam. In seinem Labor stehen verschiedene Geräte, mit denen er einzelne Minerale bis zum Erdkern schicken kann.

Vorn links, das blaue Ungetüm, ist der Fahrstuhl für die erste Strecke. Eine drei Meter hohe Stempelpresse, die einen Druck von 2000 Tonnen aufbauen kann. „Damit kommen wir bis weit in den oberen Erdmantel hinein“, sagt Heinrich. Per Knopfdruck werden die Proben der Wissenschaftler immer tiefer in die Erde versenkt, so wie es beispielsweise einer ozeanischen Platte ergeht, die an einer Subduktionszone unter einen Kontinent abtaucht: vor Chile oder Japan oder Sumatra.

„Mit solchen Experimenten wollen wir herausfinden, wie sich die Gesteine dabei verändern“, erläutert der Geochemiker. Seit langem wissen die Forscher, dass der Ozeanboden auf seiner Reise nach unten jede Menge Wasser abgibt. Zunächst aus dem nassen Sediment des einstigen Meeresbodens, aber auch „Kristallwasser“ – Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen, die verschiedene Minerale aus ihrem Atomgitter jagen, wenn sie zu viel Druck und Temperatur von außen kriegen. Das Wasser steigt nach oben zur heißen Unterseite der Kontinentalplatte und beschleunigt dort die Gesteinschmelze. Magma entsteht und steigt auf zu den Vulkanen der Anden oder zum Fujiyama.

So weit, so klar, sagt Heinrich. „Aber wie schnell wird das Wasser aus der versenkten Platte ausgetrieben?“ Für Geoforscher ist das eine spannende Frage, denn der Wassergehalt bestimmt maßgeblich, wie leicht sich Gesteine verformen lassen. Computermodelle, in denen tektonische Platten über die Erdoberfläche kriechen, untereinander abtauchen und sich ineinander verkeilen, sind auf solche Informationen angewiesen. Die „Fahrstuhlfahrt“ im Potsdamer Labor bringt also nicht nur die Mineralogen mit ihren mitunter etwas abstrakten Fragestellungen weiter, sondern auch Seismologen, die die Erdbebentätigkeit erforschen, um letztlich die Gefahreneinschätzung für die Menschen auf der Oberfläche zu verbessern.

Doch wie gelingt es den Wissenschaftlern, zum Beispiel die Wasserabgabe der Gesteine in der Tiefe zu erforschen? Die Minerale – das sind die oft winzigen Puzzleteile eines jeden Gesteinsbrockens, die eine bestimmte Zusammensetzung chemischer Elemente aufweisen – können unterschiedlich viel Wasser enthalten. „Der konkrete Wert hängt vom herrschenden Druck und der Temperatur ab“, erläutert der GFZ-Wissenschaftler. „Also nehmen wir die am häufigsten vorkommenden Minerale und untersuchen, welche Eigenschaften sie in verschiedenen Stockwerken der Erde haben und wie sie dort miteinander reagieren.“

© R. Schulz, GFZ

Das Problem der großen Stempelpresse: Die Forscher können ihre Probe nicht direkt beobachten. Sie befindet sich in einem kleinen Käfig aus Gold oder Platin, der von acht Hartmetallwürfeln umschlossen ist, an denen schließlich die Stempel der Presse ansetzen. „Druck ist Kraft pro Fläche“, sagt Heinrich. „Wollen wir einen hohen Druck erzeugen, muss die Fläche klein sein.“ Die ganze Kraft der gewaltigen Stempel wird deshalb auf den nur zwei bis drei Millimeter großen Goldkäfig in der Mitte gelenkt. Er kann zudem von außen beheizt werden.

Will Heinrich beispielsweise wissen, wie es einem Muskovit, das ist ein häufiges Glimmermineral, innerhalb einer verschluckten Erdplatte in 100 Kilometern Tiefe ergeht, programmiert er die Presse auf 30 Kilobar Druck und 600 Grad. Dieser Zustand wird ein bis zwei Tage stabil gehalten, damit sich ein chemisches Gleichgewicht einstellt, sprich: Der Muskovit ändert seine chemische Zusammensetzung, bildet zum Teil neue Minerale und gibt dabei so viel Wasser ab, dass er optimal an die 100-Kilometer-Bedingungen angepasst ist. „Zum Ende des Experiments schalten wir die Heizung aus und schrecken die Probe ab“, sagt der Forscher und tippt auf einen fingerdicken Wasserschlauch, der neben ein paar Kabeln in den Zwischenraum der Stempel führt. „Wird die Probe langsam abgekühlt, kann es nämlich passieren, dass die Minerale erneut reagieren und das Wasser teilweise wieder aufnehmen.“ Beim plötzlichen Abkühlen hingegen haben die Hochdruckminerale für diese Rückverwandlung keine Zeit, sie werden gewissermaßen „eingefroren“ und können untersucht werden.

Je höher Druck und Temperatur werden, umso häufiger beobachten die Forscher eine Anpassung, bei der die chemische Zusammensetzung kaum verändert wird. Stattdessen rücken die Atome einfach enger zusammen und ordnen sich zu einem anderen Kristallgitter an. Ein bekanntes Beispiel ist das Kohlenstoffmineral Graphit, das dann zu Diamant wird.

Im unteren Erdmantel dominieren allerdings zwei andere Minerale das Geschehen. Nach Ansicht der Geowissenschaftler sind es zu etwa 80 Prozent Silikat-Perowskit – ein Mineral, das vor allem aus Magnesium, Silizium und Sauerstoff besteht – und zu gut zehn Prozent Ferroperiklas – ein Magnesium-Eisen-Oxid. Noch nie gehört? Kein Wunder, Silikat-Perowskit wurde auf der Erdoberfläche noch nie gefunden. Sobald es mit einer der großen Strömungen im Erdmantel nach oben gebracht wird, sinkt der Druck und das Mineral wandelt sich wieder in Verbindungen um, die an die Bedingungen der weniger tiefen Schichten angepasst sind. Um etwas über die Eigenschaften dieser exotischen Stoffe herauszufinden, müssen die Wissenschaftler diese zunächst in ihren Laboren herstellen, bevor sie untersucht werden.

Auf der gedachten Fahrt in die Tiefe kommen die Potsdamer Forscher mit ihrer blauen Stempelpresse etwa 600 Kilometer nach unten. Noch etwas tiefer geht es mit der Hochdruckpresse am Bayerischen Geoinstitut (BGI) in Bayreuth. Sie erzeugt Druckbedingungen wie in 700 Kilometern Tiefe. Auf diese neue Spitzenmarke kommt es den Wissenschaftlern aber gar nicht an. Das Besondere für sie ist, dass die Presse in allen drei Raumrichtungen unterschiedlich stark drücken kann, um Proben gezielt zu verformen. „Deformationsversuche unter diesen extremen Bedingungen, das ist weltweit einmalig“, sagt der Forschungsleiter Hans Keppler. Er und sein Team tasten sich langsam an die Leistungsgrenze heran. „Hohen Druck und hohe Temperaturen zu erzeugen, ist gar nicht so schwer“, sagt Keppler. „Das Problem besteht darin, diese Bedingungen genau einzustellen und zu messen. Andernfalls bekommen wir so große Fehler, dass wir uns die Experimente gleich sparen können.“

Darum arbeiten die Wissenschaftler zunächst vor allem „im mittleren Erdmantel“. Auch dort machten sie bereits eine erstaunliche Entdeckung: Offenbar ist die Hochdruckvariante des Silikatminerals Olivin, die sich in gut 400 Kilometern Tiefe bildet und Wadsleyit genannt wird, etwas weicher als der Olivin selbst. Die Konsequenzen dieser Erkenntnis ließen sich kaum überschauen, meint Keppler. „Es würde unter anderem bedeuten, dass diese Übergangszone andere physikalische Eigenschaften hat als bisher gedacht, was schließlich auch bei der Modellierung der heißen Ströme im Erdinneren andere Ergebnisse bringt.“

© GFZ

Wenn die Forscher noch weiter in die Tiefe vordringen wollen, so könnte man meinen, müssen ihre Apparate noch größer werden. Paradoxerweise wird ihr „Fahrstuhl“ aber kleiner. Gerade faustgroß ist die Metallkonstruktion mit einem winzigen Loch in der Mitte. Dort hindurch scheint das Licht aus Heinrichs Laborlampe, geradewegs durch zwei Diamanten, die aufeinandergepresst werden. „Da drin“, sagt der Forscher und deutet auf das helle Pünktchen, „herrscht ein Druck wie an der Grenze vom Erdmantel zum Erdkern.“ Könnte man die Hand in diese 2900 Kilometer tiefe Erdschicht legen, würde auf die Fingerspitze eine Last von 1000 Tonnen einwirken.

Hauke Marquardt ist einer der Wissenschaftler am GFZ, die damit Experimente machen. Er analysiert Ferroperiklas, der übrigens in der „Mineralmanufaktur“ am BGI hergestellt wurde. Mithilfe eines Mikroskops und einer dünnen Nadelspitze bugsiert der Forscher zunächst ein Körnchen Ferroperiklas in die Probenkammer, anschließend legt er die Halterung mit dem zweiten Diamanten darüber und fädelt vier gewöhnliche Inbusschrauben in die Gewindelöcher. „Die Diamanten müssen exakt ausgerichtet sein, sonst können sie brechen“, sagt er. Dann zieht Marquardt die Schrauben fest. „Das geht relativ einfach“, sagt er. „Man hat jedenfalls nicht den Eindruck, gerade Druckverhältnisse wie im tiefen Erdmantel zu schaffen.“

Anders als in den Experimenten mit den großen Stempeln bleibt die Probe durch die Diamanten hindurch sichtbar. Dieses Fenster nutzen die Wissenschaftler für ihre Analysen. An einer Synchrotronquelle, die hochenergetische Röntgenstrahlen abgibt, lässt sich beispielsweise herausfinden, wo die Atome sitzen und welche Abstände sie im Kristallgitter haben. Derzeit arbeiten mehrere Teams an einer Methode, die winzigen Proben zeitgleich mittels Laser auf Temperaturen von weit über 1000 Grad zu bringen, um die Bedingungen des Erdmantels noch realistischer zu simulieren.

Bei seinen Versuchen hat Marquardt herausgefunden, dass Ferroperiklas-Kristalle, wenn sie unter hohem Druck stehen, Schallwellen in bestimmten Richtungen schneller weiterleiten als in anderen. Ursache dafür ist eine Strukturänderung in den Eisenatomen. Einzelne Elektronen rücken dabei etwas näher an den Kern heran. Diese winzigen Änderungen können globale Auswirkungen haben: An der unteren Grenze des Erdmantels in rund 2800 Kilometer Tiefe haben Geophysiker eine Zone entdeckt, die von seismischen Wellen schneller durchquert wird als andere Schichten – und zwar abhängig von der Richtung der Wellenausbreitung. Diese mysteriöse Schicht ist relativ dünn und übertrifft damit geophysikalische Verrücktheiten in höheren Stockwerken der Erde um ein Vielfaches. Umfassend erklären kann das Phänomen noch keiner. „Möglicherweise kommt es durch eine bevorzugte Ausrichtung der Ferroperiklas-Kristalle in der Tiefe zustande“, sagt Marquardt. „Das ist aber noch sehr spekulativ.“

Überhaupt wird das Wissen immer dünner, je tiefer man zum Erdmittelpunkt vordringt. Was den Erdkern betrifft, der in 2900 Kilometern Tiefe beginnt, gibt es bislang nur wenig experimentelle Daten. Sie stammen von Versuchen mit sehr einfachen Chemikalienmischungen, mit denen sich die Wissenschaftler schrittweise herantasten. Ansonsten bleiben ihnen nur Modellierungen der Planetenentwicklung, Interpretationen seismischer Daten und Spekulationen. Nicht einmal die Temperatur ist bekannt. Vermutlich nimmt sie von viertausend Grad an der Außenseite des Kerns zu bis zu sechstausend Grad im Zentrum. Das besteht aus einer gewaltigen Kugel aus Eisen und Nickel. „Darum schließt sich eine flüssige Schicht, die dieselben Elemente enthält und wohl auch etwas Sauerstoff und Silizium“, sagt der BGI-Forscher Hans Keppler. Die heiße Schmelze bildet große Strömungen. Sie beginnen am Rand des heißen Kerns, führen nach außen, wo die Schmelze abkühlt, um dann nach innen zurückzufließen – ähnlich wie eine riesige Lavalampe. Auch wenn diese kochendheiße Zone unerreichbar fern ist, ist sie doch für Geoforscher ein wichtiges Arbeitsgebiet. Dort unten hat beispielsweise das Erdmagnetfeld seinen Ursprung. Es wird durch Eisen erzeugt, das in den heißen Strömen enthalten ist und mit ihnen bewegt wird. „Der Kreislauf ist sehr stabil“, sagt Keppler. „Von kurzen Phasen der Umpolung abgesehen schützt uns das Magnetfeld seit Jahrmilliarden zuverlässig vor dem Beschuss hochenergetischer Teilchen aus dem Weltraum.“

Noch gibt es nur wenige Informationen darüber, auf welche Weise das Innerste der Erde mit unserem Leben hier oben verbunden ist. Mit den „Fahrstühlen“ in ihren Labors werden die Geowissenschaftler noch einige mehr finden.