Nahaufnahme einer Basaltprobe auf dem Diamantstempel nach der Röntgenanalyse.

Neue Einblicke in urzeitliche Magmaozeane

Mit der Röntgenquelle PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg haben Forscher erstmals die Struktur von Magma untersucht – unter Bedingungen wie sie auch im tiefen Erdmantel herrschen. Die Analyse zeigt, dass geschmolzener Basalt unter hohem Druck in einen steiferen und dichteren Zustand übergeht, berichten die Wissenschaftler um Chrystèle Sanloup von der University of Edinburgh im Fachjournal „Nature“.

„Silikatflüssigkeiten wie basaltisches Magma spielen eine Schlüsselrolle in allen Evolutionsphasen der inneren Erde, von der Kern- und Krustenbildung vor Milliarden von Jahren bis zu vulkanischer Aktivität heute“, betont Sanloup. Um das Verhalten von Magma im tiefen Erdmantel zu untersuchen, heizten die Forscher kleine Basaltproben mit zwei starken Infrarotlasern innerhalb weniger Sekunden auf bis zu dreitausend Grad Celsius auf. Anschließend drückten sie die zwischen den Spitzen zweier nur wenige Millimeter großer Brillanten eingeklemmten Proben mithilfe von hydraulischen Apparaten zusammen. In einer solchen Diamantstempelzelle lässt sich ein Druck erreichen, der den normalen Atmosphärendruck um das 600 000-fache übersteigt.

Gezeigt ist ein schematischer Durchschnitt durch die heutige Erde, bestehend aus innerem und äußerem Kern, unterem und oberen Mantel sowie der Erdkruste.
Schematischer Querschnitt durch die heutige Erde

Mithilfe des intensiven Röntgenlichts von PETRA III stellten Sanloup und ihre Kollegen dann fest, dass sich die Siliziumionen in der zusammengepressten Probe neu anordnen: Jedes Ion verfügt über sechs nächste Sauerstoffnachbarn statt der üblichen vier unter niedrigem Druck. In der Folge steigt die Dichte des flüssigen Basalts von etwa 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter bei niedrigem Druck auf knapp fünf Gramm pro Kubikzentimeter bei sechzig Gigapascal, was einer Tiefe von 1400 Kilometern unter der Erde entspricht.

Diese Eigenschaft der Magmen lässt es möglich erscheinen, dass in der jungen Erde mehrere Magmaozeane in Schichten existiert haben können. „Unter niedrigem Druck lassen sich Magmen viel leichter zusammenpressen als ihre kristallinen Pendants, während sie oberhalb von 35 Gigapascal fast genauso steif sind“, betont Sanloup. „Das legt nahe, dass Magmen in der frühen Geschichte der Erde, als sie zu kristallisieren begann, am Boden des oberen und des unteren Erdmantels negativen Auftrieb besessen haben könnten. Das könnte zur Existenz von zwei Magmaozeanen mit einer kristallinen Trennschicht geführt haben, wie andere Forscher früher bereits vorgeschlagen haben.“

Während geochronologische Abschätzungen ergeben, dass die Magmaozeane einige Dutzend Millionen Jahre existierten, zeigen Modellrechnungen, dass ein einzelner Magmaozean in nur etwa einer Million Jahre ausgekühlt wäre. Eine kristalline Schicht könnte als Wärmeisolation gewirkt und das Auskühlen entsprechend gebremst haben.