Geophysik : Schlecht gemischt

Mit viel High-Tech bestimmen Geologen das Alter von Gesteinen. Jetzt wollen Bayreuther Forscher herausfinden, wie sich Minerale im Erdinnern bilden.

Roland Knauer

Manche Vorgänge im Erdinneren laufen ganz anders ab, als Geophysiker sich das bisher vorgestellt haben. Auf der Oberfläche gleiten gigantische Platten mit Kontinenten oder Ozeanen wie überdimensionale Supertanker auf tieferen Schichten des Erdinneren. Auch wenn die Geschwindigkeit jeweils nur wenige Zentimeter im Jahr beträgt, stoßen diese Platten im Laufe der Jahrmillionen zwangsläufig zusammen. Bei solchen Kollisionen gleitet normalerweise die schwerere Ozeanplatte unter die leichtere Kontinentalplatte und verschwindet im Erdinneren.

Bisher nahmen Forscher an, dass die abtauchende Platte sich mit dem Gestein der Tiefe vermischt. Genau an dieser guten Durchmischung aber zweifeln Ashima Saikia, Dan Frost und David Rubie vom Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth, wie sie im Fachmagazin „Science“ (Band 319, S. 1515) berichten.

„Leider kann niemand ein paar hundert Kilometer tief in die Erde hinein- schauen und die Vorgänge dort analysieren“, erklärt der Engländer Dan Frost das größte Problem eines Geoforschers. Normalerweise behelfen sich die Wissenschaftler daher mit den Wellen, die von Erdbeben ausgelöst werden. Diese Wellen werden an den Stellen gebrochen und umgeleitet, an denen zwei unterschiedliche Materialien im Erdinneren aneinandergrenzen. Aus solchen Messungen wissen die Forscher, dass sich rund 520 Kilometer unter der Erdoberfläche eine derartige Grenze befindet. Aus theoretischen Überlegungen schlossen die Wissenschaftler, dass sich dort das Mineral Wadsleyit in das Mineral Ringswoodit umlagert. Beide Substanzen setzen sich exakt aus den gleichen Atomen zusammen, diese sind aber unterschiedlich angeordnet.

In manchen Gebieten liegt die Grenze zwischen den beiden Mineralien bereits in 500 Kilometern Tiefe. Sechzig Kilometer weiter unten gibt es dann eine zusätzliche Grenzschicht. Bisher konnte sich niemand erklären, was an dieser unteren Grenze passiert. Die Bayreuther Forscher arbeiteten nun mit Spezialapparaturen, in denen ein so extrem hoher Druck erzeugt wird, wie er sonst nur in ein paar hundert Kilometer Tiefe vorkommt. Damit fanden sie heraus, dass aus dem Material in 560 Kilometer Tiefe ein Perowskit genanntes Mineral herausgepresst wird. Voraussetzung ist allerdings, dass dort ausreichend Kalzium vorhanden ist.

Damit war das Entstehen der Grenze geklärt. Da nur Ozeankruste ausreichend große Kalziummengen enthält, muss sie das Element dort hinunterliefern. „Einige Dutzend Kilometer große Stücke aus der Ozeankruste müssen intakt bis in eine Tiefe von 560 Kilometern kommen“, erklärt Dan Frost. Trotz der Höllentemperaturen von 1500 Grad Celsius verhindert der gigantische Druck dort unten das Schmelzen dieser Riesentrümmer. An der Erdoberfläche wird Magma dagegen bereits bei tausend Celsiusgraden flüssig.

Würde das Kalzium aus der abtauchenden Ozeankruste sich dagegen bereits vorher mit dem Gestein der Umgebung mischen, würde diese Grenze entweder überall im Erdinneren existieren oder überhaupt nicht auftauchen. Da die 560-Kilometer-Grenze aber nur mancherorts vorhanden ist, haben die Forscher bewiesen, dass riesige Plattentrümmer bis in diese Tiefe intakt bleiben. Mit der guten Durchmischung ist es also nicht sehr weit her.

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