Häufigstes Mineral der Erde unter Hochdruck

Das Mineral Bridgmanit bildet zwar den Hauptbestandteil des unteren Erdmantels, ist bislang aber kaum erforscht. Denn an der Erdoberfläche kommt dieses Gestein nicht natürlich vor. Ein Forscherteam um Leyla Ismailova von der Universität Bayreuth nutzte nun eine Hochdruckpresse, um die physikalischen Eigenschaften von Bridgmanit zu erforschen. Dabei beobachteten sie, in welcher Weise die Zusammensetzung des Minerals die Geschwindigkeit von Erdbebenwellen beeinflusst.

Schematisches Bild einer aufgeschnittenen Erde. Es lässt sich die Erdkruste sowie das Erdinnere mit dem Erdmantel erkennen. Der Erdmantel besteht zum Großteil aus Bridgmanit, das auf der Abbildung auch schematisch dargestellt ist.
Schematisches Bild des Erdinneren

„Wenn wir die Dynamik des Erdinneren verstehen wollen, um Aufschlüsse über den Ursprung von Erdbeben und Vulkanismus zu bekommen, dann müssen wir die physikalischen Eigenschaften von Bridgmanit erforschen“, sagt Teammitglied Hanns-Peter Liermann vom Forschungszentrum DESY in Hamburg. Dazu untersuchten die Forscher verschiedene Zusammensetzungen des Minerals mit jeweils unterschiedlichen Anteilen an Eisen und Aluminium. Ismailova und ihre Kollegen konnten dabei erstmals Bridgmanit herstellen, das ausschließlich Eisen enthielt. Die Proben wurden mit einem Laser erhitzt und gleichzeitig mit einer Diamantstempelzelle komprimiert. Eine Diamantstempelzelle besteht aus zwei gegenüberliegenden Diamanten, zwischen denen sich eine Materialprobe mit hohem Druck zusammenpressen lässt. Damit simulierten die Forscher den Druck und die Temperaturen, die im unteren Erdmantel herrschen. Mit Röntgenstrahlen untersuchten sie dann die Struktur und Härte des Materials unter diesen extremen Bedingungen.

Das Experiment zeigte, dass Bridgmanit mit Eisen und Aluminium selbst bei Temperaturen bis 3000 Grad Celsius und einem Druck bis 120 Gigapascal noch stabil ist. Dies sind Bedingungen, wie sie im unteren Erdmantel herrschen. Besonders überraschte die Forscher das Verhalten des Minerals ohne Aluminium. „Es zeigte sich, dass Eisen-Bridgmanit auf Grund seiner höheren Härte und Dichte im Vergleich zum normalen Bridgmanit eine geringere seismische Geschwindigkeit hat. Erdbebenwellen laufen dadurch zwei Prozent langsamer durch dieses Mineral“, erläutert Liermann. Dies erklärt Unregelmäßigkeiten, die auftreten, wenn sich Erdbebenwellen im unteren Erdmantel ausbreiten. Kennt man die genaue Zusammensetzung von Bridgmanit im Erdmantel, so die Forscher, ließen sich Erdbebendaten besser auswerten.