Ein neuer Blick auf das Innere der Erde

Es gibt Orte, die bleiben f¨¹r uns Menschen immer unerreichbar. Dazu geh?rt das Innere der Erde. Dennoch gibt es M?glichkeiten, sich ein Bild von dieser unbekannten Welt zu machen. So setzt beispielsweise die Ausbreitungsgeschwindigkeit von seismischen Wellen wichtige Leitplanken, wie die Erde strukturiert ist und welche physikalischen Eigenschaften die Materialien in der Tiefe haben. Ausserdem geben vulkanische Gesteine, die an einzelnen Stellen tief aus der Erde an die Oberfl?che gelangen, wichtige Hinweise auf die chemische Zusammensetzung des Erdmantels. Und schliesslich erm?glichen Laborexperimente, die Bedingungen im Erdinnern im kleinen Massstab zu simulieren.

Wie aufschlussreich solche Experimente sind, zeigt eine neue Publikation, die Motohiko Murakami, Professor f¨¹r experimentelle Mineralphysik, mit seinem Team soeben in der Fachzeitschrift PNAS ver?ffentlicht hat. Die Resultate der Forscher lassen den Schluss zu, dass das Bild, das sich viele Erdwissenschaftler vom Inneren der Erde machen, m?glicherweise zu simpel ist.

Sprunghafte ?nderung

Unter der d¨¹nnen Erdkruste, die nur einige wenige Kilometer dick ist, der Erdmantel, der ebenfalls aus Gesteinen besteht. Dieser umschliesst den Erdkern, der in einer Tiefe von 2900 Kilometern beginnt. Aufgrund der seismischen Signale weiss man, dass in es im Erdmantel in einer Tiefe von ca. 660 Kilometern einen markanten ?bergang gibt: Die Gesteine im oberen Mantel ¨¹ber dieser Grenze weisen andere mechanische Eigenschaften auf als der darunterliegende untere Erdmantel, und deshalb ?ndert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der seismischen Wellen an dieser Grenze sprunghaft.

Unklar ist, ob es sich hierbei nur um eine physikalisch bedingte Grenze handelt oder ob sich auch die chemische Zusammensetzung der Gesteine ?ndert. Viele Erdwissenschaftler gehen davon aus, dass der Erdmantel als Ganzes eine relativ homogene Zusammensetzung hat und aus magnesiumreichen Gesteinen besteht, die eine ?hnliche Zusammensetzung haben wie die Peridotit-Gesteine, die man an der Erdoberfl?che findet. Diese Boten aus dem oberen Mantel werden beispielsweise von Vulkanen an die Erdoberfl?che gef?rdert und weisen ein Magnesium-Silizium-Verh?ltnis von ca. 1,3 auf.

?Die Vermutung, der Erdmantel sei mehr oder weniger homogen aufgebaut, beruht auf einer relativ simplen Annahme?, erkl?rt Murakami. ?N?mlich, dass der Erdmantel durch die gewaltigen Konvektionsstr?me, die auch die Bewegungen der Erdplatten an der Erdoberfl?che verursachen, immer wieder durchmischt. Doch das ist m?glicherweise zu einfach gedacht.?

Wo ist das Silizium?

Tats?chlich gibt es bei dieser Annahme ein fundamentales Problem. Man geht davon aus, dass die Erde vor rund 4,5 Milliarden Jahren durch das Zusammenballen von Meteoriten entstand und daher insgesamt die gleiche Zusammensetzung aufweist, wie die Meteorite, die aus dem urspr¨¹nglichen solaren Nebel entstanden. Die Differenzierung der Erde in Kern, Mantel und Erdkruste folgte dann in einem zweiten Schritt.

Zieht man nun das Eisen und den Nickel ab, die sich heute im Erdkern befinden, zeigt sich, dass der Erdmantel eigentlich viel mehr Silizium aufweisen sollte als die Peridotit-Gesteine. Basierend auf dieser Kalkulation sollte der Erdmantel ein Magnesium-Silizium-Verh?ltnis von ungef?hr 1 haben ¨C und nicht 1,3.

F¨¹r die Erdwissenschaftler stellt sich daher die Frage: Wo befindet sich das fehlende Silizium? Auch dazu gibt es eine naheliegende Antwort: Im Erdmantel hat es so wenig Silizium, weil es sich im Erdkern befindet. Doch Murakami kommt zu einem anderen Schluss: Das Silizium befindet sich im unteren Erdmantel. Dieser h?tte somit eine andere Zusammensetzung als der obere Erdmantel.

Verwinkelte Argumentation

Murakamis Argumentation ist etwas verwinkelt: Erstens weiss man heute recht genau, wie schnell sich seismische Wellen im Erdmantel ausbreiten. Aus Laborexperimenten weiss man zweitens, dass der untere Erdmantel im Wesentlichen aus dem siliziumhaltigen Mineral Bridgmanit und dem magnesiumreichen Mineral Ferroperiklas besteht. Drittens weiss man, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der seismischen Wellen von der Elastizit?t der Mineralien abh?ngt, aus denen die Gesteine bestehen.

Kennt man also die elastischen Eigenschaften der beiden Mineralien, kann man berechnen, welches Mischverh?ltnis der beiden Mineralien mit der beobachteten Ausbreitungsgeschwindigkeit der seismischen Wellen ¨¹bereinstimmt. Und daraus kann man dann ableiten, welche chemische Zusammensetzung der untere Erdmantel haben muss.

W?hrend die elastischen Eigenschaften von Ferroperiklas bekannt sind, ist dies bei Bridgmanit noch nicht der Fall. Dies liegt daran, dass die Elastizit?t dieses Minerals stark von seiner chemischen Zusammensetzung abh?ngt. Je nachdem, wie viel Eisen im Bridgmanit eingebaut ist, ver?ndert sich die Elastizit?t dieses Minerals.

Aufw?ndige Messungen

Murakami hat nun in seinem Labor Hochdruckexperimente mit diesem Mineral durchgef¨¹hrt und dabei mit unterschiedlichen Mischungen experimentiert. In einem ersten Schritt haben die Forscher eine kleine Probenmenge zwischen zwei Diamantspitzen eingeklemmt und diese dann durch eine spezielle Vorrichtung gegeneinander gedr¨¹ckt. Dadurch wird das Probenmaterial einem extrem hohen Druck ausgesetzt, so wie er auch im unteren Erdmantel herrscht.

In einem zweiten Schritt haben die Forscher Laserlicht auf die Probe geschickt und anschliessend auf der anderen Seite das Wellenspektrum des gestreuten Lichts gemessen. Aus den Verschiebungen im Wellenspektrum konnten sie ermitteln, wie elastisch sich das Mineral bei den entsprechenden Druckverh?ltnissen verh?lt. ?Die Messungen waren sehr aufwendig?, berichtet Murakami. ?Da Bridgmanit mit zunehmendem Eisengehalt weniger lichtdurchl?ssig wird, ben?tigten wir jeweils bis zu f¨¹nfzehn Tage f¨¹r eine einzelne Messung.?

Das Silizium ist gefunden

Basierend auf den ermittelten Werten hat Murakami dann modelliert, welche Zusammensetzung am besten mit der Ausbreitung der seismischen Wellen ¨¹bereinstimmt. Die Ergebnisse best?tigen seine These, dass der untere Erdmantel anders aufgebaut ist als der obere. ?Wir gehen davon aus, dass dieser Bereich der Erde aus 88 bis 93 Prozent Bridgmanit besteht?, meint Murakami. ?Der untere Erdmantel hat also ein Magnesium-Silizium-Verh?ltnis von etwa 1,1.? Das R?tsel des fehlenden Siliziums ist nach Murakami Auffassung also gel?st.

Doch die Resultate werfen auch neue Fragen auf. Man weiss zum Beispiel, dass bei einzelnen Subduktionszonen die Erdkruste tief in den Erdmantel geschoben wird, teilweise sogar bis an die Grenze zum Erdkern. Der obere und untere Erdmantel sind also nicht per se hermetisch separierte Gebilde. Wie die beiden Bereiche miteinander wechselwirken und wie die Dynamik im Erdinneren genau funktioniert, damit am Ende chemisch unterschiedliche Mantelbereiche entstehen, ist nach wie vor unklar.