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Mit Hochdruck ins Innere der Erde

In Bayreuth erforschen Geowissenschaftler mit tonnenschweren Pressen die unzugänglichen Tiefen unterhalb der Erdkruste. Dabei haben sie wichtige neue Details zur Funktionsweise der Wärmekraftmaschine Erde aufgedeckt.


Auf dem Labortisch liegen ein paar unansehnliche braune Brösel. Die millimetergroßen Bröckchen haben viel durchgemacht im Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth. In gewaltigen hydraulischen Pressen waren sie Drücken und Temperaturen ausgesetzt, wie sie in unterschiedlichen Tiefen der Erde herrschen. Dabei haben sie Merkmale angenommen, die für die jeweilige Tiefe charakteristisch sind. Ihr neues Wesen sollen sie in anschließenden Untersuchungen preisgeben und damit den Forschern Erkenntnisse über die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materie im Erdmantel und über die dort ablaufenden dynamischen Prozesse vermitteln.

Wie das geht, erlebe ich auf einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft veranstalteten Presseseminar in dem 1986 gegründeten und mittlerwei-le international renommierten Institut. Am Transmissionselektronenmikroskop (TEM), das extrem starke Vergrößerungen ermöglicht, bietet Falko Langenhorst den Besuchern quasi einen tiefen Blick hinab in die Erde.

Auf einem Bildschirm, der mit dem TEM verbunden ist, erscheint ein enges Linienraster: der atomare Bauplan des Minerals Olivin, des Hauptbestandteils im oberen Erdmantel, bei zweimillionenfacher Vergrößerung. Langenhorst verschiebt das Präparat ein wenig, bis ein unregelmäßig geformter Einschluß in dem Linienmuster den Bildschirm füllt. "Unter dem mit der Tiefe zunehmenden Druck", erläutert der Forscher, "verwandelt sich Olivin in Hochdruckminerale derselben chemischen Zusammensetzung, hier in Ringwoodit. Mit dieser intrakristallinen Keimbildung beginnt ein solcher Umwandlungsprozeß. Die Probe war einem Druck ausgesetzt, wie er in 550 bis 600 Kilometer Tiefe herrscht."

Was uns vorgeführt wird, ist ein aufregender Sonderfall unter den Druck- und Temperaturverhältnissen in einer Subduktionszone, in der eine der mächtigen Lithosphärenplatten aus Erdkruste und einem Teil des oberen Erdmantels unter eine andere abtaucht. Dort gleitet relativ kühles Material von der Oberfläche tief ins Erdinnere. Während Olivin unter hinreichendem Druck gewöhnlich über eine Zwischenstufe in Ringwoodit übergeht, entsteht das Hochdruckmineral in der kühlen Platte direkt. Das hat Konsequenzen bis an die Erdoberfläche: Unvermitteltes Schrumpfen größerer Mengen des Gesteins beim direkten Übergang zum dichtgepackten Ringwoodit löst die lange Zeit rätselhaften tiefen Erdbeben in Subduktionszonen aus.

Das Beispiel zeige, betont der Gründungsdirektor des Bayerischen Geoinstituts Friedrich Seifert, daß das Erdinnere kein isolierter, abgelegener Bereich sei, sondern Teil eines Gesamtsystems mit interaktiven und rückgekoppelten Komponenten. Zwischen Erdinnerem, Ozeanen, Atmosphäre und Ionosphäre finde ein steter Energie- und Stoffaustausch statt. "Das Verständnis der Dynamik des Planeten Erde", sagt Seifert, "erlaubt auch die Rekonstruktion früherer Umweltbedingungen und damit Voraussagen für die kurz- und langfristige Klimavariation durch natürliche Prozesse."

Da das Innere der Erde keiner direkten Inspektion zugänglich ist – die tiefste Bohrung reicht nur gut zwölf Kilometer hinab –, mußten Geowissenschaftler nach anderen Möglichkeiten suchen, die Tiefen zu ergründen. Eine Schlüsselrolle spielten dabei seismologische Verfahren.

Erdbebenwellen laufen um so schneller, je dichter das Gestein ist, das sie durchqueren. An der Grenze der Erdkruste zum Erdmantel – unter den Kontinenten in 30 bis 50 Kilometer und unter den Ozeanen in 5 bis 10 Kilometer Tiefe – nimmt ihre Geschwindigkeit sprunghaft zu. Zwei weitere Sprünge bei 410 und 660 Kilometern markieren die Grenzen zwischen dem oberen Mantel, einem "Übergangszone" genannten Bereich und dem unteren Mantel. Der ganze Erdmantel besteht aus Silicaten und hat überall prinzipiell dieselbe chemische Zusammensetzung; doch in jedem Grenzbereich wandeln sich die Mineralien unter dem mit der Tiefe gestiegenen Druck in dichtere Modifikationen um. Unter dem steinernen Mantel liegt, ab 2900 Kilometer Tiefe, der eiserne Erdkern.

Derart aus Schalen aufgebaut, ist die Erde jedoch nicht starr. Konvektionsströme im Mantel wälzen diesen ganz allmählich um und leiten dabei zugleich Wärme aus dem Kern nach außen ab. Erhitztes Gestein, das im Kriechtempo von wenigen Zentimetern pro Jahr empordringt, treibt die um die Er-de driftenden Lithosphärenplatten an, aus denen die äußere Hülle unseres Planeten besteht. Dynamik aus dem Erdinnern führt an der Oberfläche zu Vulkanausbrüchen und Erdbeben, läßt Gebirge aufsteigen und andernorts weite Gebiete absinken, verändert dabei die Verteilung von Land und Wasser auf der Erde, beeinflußt Meeres- und Luftströmungen und dadurch auch das Klima.

Geowissenschaftler bezeichnen die Erde als Wärmekraftmaschine. Doch wie diese Maschine im einzelnen funktioniert, ist in vielen Details noch ungeklärt. So wüßten die Experten gern, ob die Konvektionsströme in einem Zug vom Kern bis unter die Lithosphärenplatten reichen oder ob zwei Kreislaufsysteme übereinander die Energie stufenweise hinaufbefördern: durch den unteren Mantel das eine, durch Übergangszone und oberen Mantel das andere. Nicht zuletzt wegen dieser Frage sind die Forscher in Bayreuth froh, daß sie mit ihren drei mächtigen Pressen im Höchstdrucklabor noch Drücke wie im unteren Mantel erzeugen können.

"Mit neu entwickelten Methoden", sagt David Rubie, der geschäftsführende Direktor, "erzeugen wir 260 Kilobar, also rund 260000 Atmosphären, bei Temperaturen bis zu 2800 Grad Celsius. Das entspricht einer Erdtiefe von 700 Kilometern."

Ein Schwerpunkt der Arbeiten in Bayreuth betrifft die für die Konvektion entscheidende Rheologie der Mantelgesteine und -minerale. Erstmals konnte in Verformungsexperimenten die Fließfähigkeit zugleich bei hohen Temperaturen und hohen Drücken gemessen werden. Die für Olivin im oberen Mantel vorliegenden Ergebnisse stellen die bisherigen, allein aus der Veränderung der Temperatur abgeleiteten Anschauungen auf den Kopf: Die Festigkeit nimmt mit zunehmender Tiefe nicht immer weiter ab, sondern erreicht ein Minimum bei 160 bis 200 Kilometer Tiefe, um dann wieder anzusteigen.

Diese Eigenschaft des Olivins, interpretiert Rubie die Befunde, erkläre die Zone geringer Festigkeit, auf der die Lithosphärenplatten gleiten. Bisher sei man immer davon ausgegangen, daß die Plastizität dieser Schicht auf dem Vorhandensein von Schmelzen beruhe.

Bei allen Experimenten mit den Preßkolossen gilt, daß die Probe um so kleiner ausfallen muß, je mehr Druck ausgeübt werden soll. Um eine Kraft von 1000 bis 5000 Tonnen auf eine millimetergroße Probe zu konzentrieren, bedarf es einiger Raffinessen (siehe Kasten). In die zwei großen Stahlbacken, die in einer Presse gegeneinander bewegt werden, sind jeweils drei kleinere Stahlkörper eingelassen, die wiederum acht Würfel aus extrem hartem Wolframcarbid umschließen. Zwischen denen steckt in einem ausgesparten Hohlraum die eigentliche Druckzelle, ein Oktaeder aus Magnesiumoxid, das zusammen mit der Probe eine Heizung, ein Thermoelement zur Temperaturmessung sowie eventuell weitere Meßanordnungen enthält.

Bei den anschließenden Untersuchungen spielt das Transmissionselektronenmikroskop eine wichtige Rolle. Es macht nicht nur die Kristallstrukturen mitsamt Baufehlern und die Verwachsungsverhältnisse in Mineralgemischen sichtbar. Mit spektroskopischen Verfahren kann man die chemische Zusammensetzung speziell ausgewählter winziger Stellen bestimmen und sogar die Bindungsverhältnisse von Atomen ableiten.


300mal dünner als ein Haar



Präparate für die Untersuchung im TEM dürfen, damit der Elektronenstrahl sie durchdringt, nicht dicker als 0,1 Mikrometer sein. 30 Mikrometer, etwa so dick wie ein Menschenhaar, sind normale Dünnschliffe nach dem Schleifen und Polieren. Ein TEM-Präparat aber muß noch 300mal dünner werden. Das besorgt ein Bombardement mit elektrisch geladenen Teilchen, die sogenannte Ionenätzung.

Zu welch weitreichenden Schlüssen Erkenntnisse aus dem Untergrund führen können, zeigen Ergebnisse über die Fähigkeit von Mantelmineralien, Wasser zu speichern. Nach den gängigen Vorstellungen können die Lithosphärenplatten, die in den Subduktionszonen mit Geschwindigkeiten von wenigen Zentimetern pro Jahr schräg abwärts ins Erdinnere gleiten, praktisch keine größeren Wassermengen in den tieferen Mantel transportieren, und die Mantelminerale kaum Wasser speichern. Untersuchungen in Bayreuth haben jedoch gezeigt, daß die Übergangszone zwei bis drei Prozent Wasser aufnehmen kann. Das würde genügen, hat Hans Keppler berechnet, ein Mehrfaches allen Wassers in den heutigen Weltmeeren zu speichern.

Somit wären die Ozeane viel stärker mit dem Erdinnern verbunden als bislang angenommen. In einer Periode schnellerer Plattenbewegungen könnte ihnen mehr, in einer trägeren Phase weniger Wasser entzogen werden, das mit einiger Verzögerung von Vulkanen wieder ausgestoßen wird. Damit ließen sich stark schwankende Meeresspiegel in der Vergangenheit erklären, die erhebliche Auswirkungen auf das globale Klima hatten.

Über 700 Kilometer simulierte Tiefe hinaus hilft bislang keine Hydraulik mehr weiter. Wer noch tiefer will, muß mit Diamanten Druck machen: Eine nur 0,2 Millimeter große Druckkammer mit der Probe wird zwischen zwei besonders ausgewählten und in passende Form gebrachten Diamanten gepreßt. Der Druck läßt sich in einer Art Schraubzwinge von etwa zehn Zentimeter Durchmesser mit der Hand erzeugen (siehe "Hochdruckzellen mit Diamantstempeln", Spektrum der Wissenschaft, Juni 1984, Seite 76).

Die Glitzersteine halten ungeheuren Belastungen stand. In den Diamantzellen können Drücke bis zu mehreren Megabar (Millionen Atmosphären) und Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius erzeugt werden. Der einzige Nachteil dabei ist, daß die Proben noch viel kleiner sein müssen – kaum mehr als ein Stäubchen.

Dank der Durchsichtigkeit der Diamanten können die Experimentatoren die Probe unter Druck mit Röntgenstrahlen oder spektroskopischen Methoden studieren und sogar während des Versuchs durch ein Mikroskop beobachten, was sich in der Kammer tut. Keppler demonstriert, auf einen Bildschirm übertragen, wie im tieferen Teil des oberen Mantels eine Silicatschmelze sich mit Wasser mischt und bei nachlassendem Druck unter großer Turbulenz wieder entmischt. Diese in Bayreuth erstmals gemachte Beobachtung hilft den Ursprung des mit Subduktionszonen regelmäßig verbundenen Vulkanismus zu verstehen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1999, Seite 24
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1999

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1999

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