Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München.

29. April 2022 – Kenntnisse über den Aufbau und die Zusammensetzung der Erdkruste sind wichtig, um die Dynamik der Erde zu verstehen. So spielt etwa das Vorkommen von Flüssigkeiten oder Gesteinsschmelzen bei plattentektonischen Prozessen eine große Rolle. Der größte Teil des Wissens hierzu stammt aus geophysikalischen Untersuchungen. Der Zusammenhang zwischen messbaren geophysikalischen Parametern und den tatsächlichen Verhältnissen im Erdinneren ist allerdings oft nicht eindeutig. Um dies zu verbessern, hat der LMU-Geophysiker Max Moorkamp nun eine neue Methode entwickelt: Dabei werden Daten zur Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit und Dichte in der Erdkruste mithilfe eines aus der medizinischen Bildgebung abgeleiteten Verfahrens kombiniert und verrechnet. „Der Vorteil dabei ist, dass die Zusammenhänge zwischen den beiden Parametern Teil der Analyse sind“, sagt Moorkamp. „Für geophysikalische Anwendungen ist das völlig neu.“

Mittels der neuen Methode konnte Moorkamp für den Westen der Vereinigten Staaten zeigen, dass bisherige Annahmen zur räumlichen Verteilung von Magma und Flüssigkeiten in diesem Gebiet möglicherweise zu vereinfacht sind. Aufgrund von Messungen zur elektrischen Leitfähigkeit gingen Forschende bisher davon aus, dass in geologisch jungen und aktiven Regionen geschmolzenes Gestein (Magma) und Flüssigkeiten weit verbreitet sind, während ältere und stabile Regionen praktisch frei davon sind. „Die neuen Ergebnisse zeigen aber ein komplexeres Bild“, sagt Moorkamp. Die elektrische Leitfähigkeit von geschmolzenem Gestein und Flüssigkeiten ist derjenigen von festen Graphiten und Sulfiden sehr ähnlich – im Gegensatz zu Schmelzen und Flüssigkeiten sind diese aber ein Zeichen alter geologischer Aktivität.

Moorkamp konnte mit seiner Methode erstmals zwischen beidem unterscheiden und so nachweisen, dass sogar im Umfeld des sehr aktiven Yellowstone-Gebiets fluid-dominierte Strukturen und fluid-freie Regionen mit Graphiten und Sulfiden direkt nebeneinander liegen. Der Geophysiker schließt daraus, dass im Vergleich zur aktuellen geologischen Aktivität, die geologische Geschichte – also frühere plattentektonische Prozesse – deutlich stärkere Auswirkungen auf die Lokalisierung von Fluiden hat als bislang angenommen. Dies könne möglicherweise eine Überprüfung früherer Ergebnisse nicht nur in den Vereinigten Staaten, sondern weltweit, erfordern. Zudem könne das Verfahren auch bei der Suche nach geothermaler Energie oder Mineralvorkommen von großer Hilfe sein.

Originalpublikation:
Max Moorkamp: Deciphering the state of the lower crust and upper mantle with multi-physics inversion. Geophysical Research Letters 2022
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL096336

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Quelle: DESY.

9. März 2022 – Die dünne Erdkruste weicht erheblich auf, wenn sie mit einer tektonischen Platte ins Erdinnere abtaucht. Das zeigen Röntgenuntersuchungen eines Minerals, das in basaltischer Kruste in großem Umfang vorkommt, mit DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III. Das Aufweichen kann sogar dazu führen, dass sich die Kruste von der darunter liegenden Platte abschält, wie das internationale Team um Hauke Marquardt von der Universität Oxford im Fachblatt „Nature“ berichtet. Die abgeschälte Erdkruste hat andere physikalische Eigenschaften als der restliche Erdmantel, was möglicherweise Anomalien in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen im Erdmantel erklären kann.

Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es gelungen, erstmals das Verformungsverhalten des Minerals Davemaoit unter den Bedingungen des Erdmantels zu messen. „Davemaoit gehört zur weit verbreiteten Gruppe der Perowskite, entsteht allerdings erst ab einer Tiefe von etwa 550 Kilometern durch steigenden Druck und Temperatur aus anderen Mineralen“, erläutert Hauptautorin Julia Immoor vom Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth. Die Existenz des Minerals war seit Jahrzehnten vorhergesagt worden, erst 2021 wurde jedoch ein natürliches Stück davon gefunden. Davemaoit unterscheidet sich unter anderem durch seine kubische Kristallstruktur von anderen Perowskiten. In ausreichender Tiefe kann es rund ein Viertel der abtauchenden basaltischen Ozeankruste ausmachen.

Mit einer Spezialapparatur an DESYs Extreme Conditions Beamline (P02.2) bei PETRA III konnte das Team nun Davemaoit künstlich herstellen und mit dem Röntgenstrahl durchleuchten. Dazu erhitzten die Forscherinnen und Forscher fein gemahlenes Wollastonit (CaSiO₃) bei hohem Druck auf rund 900 Grad Celsius, bis sich Davemaoit bildete. Anschließend wurde das Mineral durch steigenden Druck von bis zu 57 Gigapascal – rund 570 000 Mal so hoch wie der Luftdruck auf Meereshöhe – verformt und dabei per Röntgenstrahl untersucht. Diese Parameter entsprechen den Bedingungen in bis zu 1300 Kilometern Tiefe.

„Die Messungen unter hohem Druck zeigen, dass Davemaoit im tiefen Erdmantel überraschend weich ist“, berichtet Forschungsleiter Marquardt. „Diese Beobachtung ändert unsere Vorstellung vom dynamischen Verhalten der abtauchenden Platten im tiefen Mantel komplett.“ Die Dynamik in solchen sogenannten Subduktionszonen, in denen eine tektonische Platte unter die andere taucht, hängt stark von der Härte der anwesenden Minerale ab. Das überraschend weiche Davemaoit in der absinkenden Erdkruste kann dafür sorgen, dass diese sich von der darunter liegenden Platte ablöst und der weitere Subduktionsprozess dann getrennt für Kruste und die restliche Platte verläuft.

Über eine solche Ablösung wird seit langem spekuliert, weil die abgelöste Erdkruste charakteristische Änderungen von Erdbebenwellengeschwindgeiten erklären kann, die in verschiedenen Erdtiefen beobachtet werden. Bislang war jedoch unklar, welche Ursachen zu so einer Ablösung, der sogenannten Delamination, führen können. „Ich freue mich, dass der hier entwickelte Versuchsaufbau zur Lösung wichtiger Fragen beitragen kann, die mit Prozessen im tiefen Inneren unseres Planeten verknüpft sind“, sagt der Leiter der Extreme Conditions Beamline bei PETRA III und Ko-Autor der Studie, Hanns-Peter Liermann von DESY.

An der Untersuchung waren Forscherinnen und Forscher der Universitäten von Bayreuth, Oxford und Utah sowie vom GeoForschungsZentrum Potsdam GFZ, vom California Institute of Technology und von DESY beteiligt. Das Projekt wurde zum Teil von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG finanziert.

Über das DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung
Weak cubic CaSiO3 perovskite in the Earth’s mantle; J. Immoor, L. Miyagi, H.-P. Liermann, S. Speziale, K. Schulze, J. Buchen, A. Kurnosov & H. Marquardt; „Nature“, 2022

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