Hochdruck-Experimente offenbaren unerwartete Elektronenstruktur im Erdinneren Eisen-Rätsel des Erdmantels gelöst - scinexx | Das Wissensmagazin
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Hochdruck-Experimente offenbaren unerwartete Elektronenstruktur im Erdinneren

Eisen-Rätsel des Erdmantels gelöst

Blick durch ein Mikroskop in eine Diamantstempelzelle. Im Zentrum ist die Probenkammer mit einem zu untersuchenden Mineralkorn zu erkennen. Der Durchmesser des Korns beträgt 0,02 mm. © Universität Bayreuth

Neueste Bayreuther Experimente haben eine tiefgreifende Umwandlung eisenhaltiger Minerale im tiefen Erdinneren offenbart. Mit den neuen Forschungsergebnissen lassen sich frühere kontroverse Beobachtungen erklären, die für die Wissenschaftler bis jetzt rätselhaft geblieben waren.

Eisen kann laut der neuen Studie in Mineralen unter hohem Druck eine ungewöhnliche Elektronenstruktur annehmen, die offensichtlich fast überall im tiefen Erdmantel stabil ist. Diese Erkenntnisse stellen einige der bisherigen Vorstellungen über Eigenschaften des unteren Erdmantels – in 660 bis 2.990 Kilometer Tiefe – in Frage. Die Wissenschaftler der Universität Bayreuth berichten über die von Theoretikern nicht vorhergesagte Entdeckung in der Fachzeitschrift „Nature Geoscience“.

Erdinneres für direkte Untersuchungen nicht zugänglich

Der größte Teil des Erdinneren ist aufgrund der dort herrschenden hohen Temperaturen und Drücke für direkte Untersuchungen nicht zugänglich. Wissenschaftler wenden daher indirekte Methoden auf der Basis geophysikalischer Messdaten, zum Beispiel aus Erdbebenereignissen, und experimentell erzielter Ergebnisse an, um sich ein Bild über Zustände und Prozesse im Erdinneren zu machen.

Solche Modelle verraten nicht nur, wie sich Temperatur und chemische Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Erdtiefe ändern, sondern auch, wie sich Vorgänge im Erdinneren auf Prozesse an der Erdoberfläche auswirken.

Das in der Erde am weitesten verbreitete Mineral ist ein magnesium- und eisenhaltiges Silikat mit Perowskit-Struktur. Eisen kann als ein Übergangselement bei veränderten Umgebungsbedingungen seine Elektronenstruktur verändern und physikalische Eigenschaften wie Dichte und Leitfähigkeit beeinflussen. Übergänge in andere Spinzustände – Anzahl von Elektronenpaaren in der Atomhülle – werden zum Beispiel dadurch verursacht, dass sich das Verhältnis gepaarter und ungepaarter Elektronen in den Atomschalen ändert.

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Spinzustand von Eisen im unteren Erdmantel untersucht

Übergänge im Spinzustand von Eisen in Perowskiten im unteren Erdmantel werden bereits seit einigen Jahren untersucht, jedoch gelangte bisher jede Studie zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen. Der Spinzustand von Eisen im unteren Erdmantel ist ein Rätsel geblieben – bis jetzt.

Catherine McCammon vom Bayerischen Geoinstitut überzeugt sich von der Einsatzbereitschaft einer Diamantstempelzelle. Mit dieser kleinen Höchstdruckapparatur lassen sich die Druckbedingungen, die im tiefen Erdinneren herrschen, simulieren. © Universität Bayreuth

Denn Forscher des Bayerischen Geoinstituts der Universität Bayreuth haben nun zusammen mit Wissenschaftlern aus Grenoble/Frankreich und Chicago/USA eindeutige Hinweise auf Spinübergänge bei niedrigeren Drücken in diesem Mineral gefunden. Für ihre Hochdruck- und Hochtemperatur-Experimente verwendeten sie eine Bayreuther Diamantstempelzelle mit einer Miniatur-Heizvorrichtung, mit der Drücke bis 110 Gigapascal (GPa) erzeugt werden können. Das entspricht 1,1 Millionen-fachen atmosphärischem Druck, was fast dem im Erdkern herrschenden Druck entspricht. Für die Untersuchungen wurden extrem starke Röntgenstrahlen verwendet, die nur in wenigen Großforschungseinrichtungen verfügbar sind.

Anpassung bisheriger Modelle nötig

Die internationale Forschergruppe fand heraus, dass Eisen in diesen Perowskiten über fast den gesamten Tiefenbereich des unteren Erdmantels in einem ungewöhnlichen Spinzustand vorliegt, in dem die Elektronen nur teilweise gepaart sind. Das Eisen verhält sich damit chemisch und physikalisch völlig anders, als man es unter Normalbedingungen gewohnt ist.

Die neuen Ergebnisse machen eine Anpassung bestehender Modelle erforderlich. Wie groß diese sein muss, wird nach Angaben der Forscher erst durch weitere Hochdruckexperimente entschieden. „Es ist immer spannend, etwas Neues über das Erdinnere herauszufinden, besonders wenn dadurch unsere bisherigen Konzepte überdacht werden müssen. Wer kann sagen, welche weiteren Überraschungen hier auf uns zukommen“, erklärt Catherine McCammon, die Hauptautorin der Studie.

(idw – Universität Bayreuth, 23.09.2008 – DLO)

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