Der Neue Wiesentbote

Seit fast 50 Jah­ren ver­tre­ten Mine­ra­lo­gen und Geo­phy­si­ker die Mei­nung, dass bereits gerin­ge Antei­le von Was­ser im Erd­man­tel erheb­li­che Aus­wir­kun­gen auf die phy­si­ka­li­schen Eigen­schaf­ten von Mine­ra­len und Gestei­nen haben. Ein höhe­rer Anteil an gelö­stem Was­ser set­ze die Festig­keit der Gestei­ne im obe­ren Erd­man­tel stark her­ab; dadurch wür­den plat­ten­tek­to­ni­sche Vor­gän­ge bis hin zum Drif­ten der Kon­ti­nen­te auf der Erd­ober­flä­che mög­lich. Eine neue Stu­die unter Feder­füh­rung des Baye­ri­schen Geo­in­sti­tuts, eines For­schungs­zen­trums der Uni­ver­si­tät Bay­reuth (BGI), stellt die­se Sicht­wei­se jedoch infra­ge. Im For­schungs­ma­ga­zin „Natu­re“ berich­ten die Wis­sen­schaft­ler über ihre Ergebnisse.

Den Haupt­be­stand­teil des obe­ren Erd­man­tels, der direkt unter­halb der Erd­kru­ste in einer Tie­fe von rund 40 km beginnt und bis etwa 410 km reicht, bil­den Oli­vi­ne. Es han­delt sich dabei um Mine­ra­le, die der Mine­ral­klas­se der Sili­ka­te ange­hö­ren. Sie ver­dan­ken ihren Namen, der sich von dem latei­ni­schen Wort „oli­va“ (Oli­ve) her­lei­tet, ihrer zumeist oliv- bis fla­schen­grü­nen Far­be. Wie sta­bil die­se Mine­ra­le bei hohen Tem­pe­ra­tu­ren blei­ben, hängt ins­be­son­de­re davon ab, wie beweg­lich die in ihnen ent­hal­te­nen Sili­zi­um-Ato­me sind. Che­misch gespro­chen, ist es die Sili­zi­um-Dif­fu­si­on, die bei hohen Tem­pe­ra­tu­ren den größ­ten Ein­fluss auf die Sta­bi­li­tät von Oli­vi­nen hat. Sie wird durch den Dif­fu­si­ons­ko­ef­fi­zi­en­ten mathe­ma­tisch beschrieben.

Im Rah­men sei­ner Dis­ser­ta­ti­on am Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) hat Hong­zhan Fei den Dif­fu­si­ons­ko­ef­fi­zi­en­ten von Sili­zi­um in Oli­vi­nen bestimmt, und zwar in Abhän­gig­keit vom Was­ser­ge­halt der Oli­vi­ne. Dabei hat sich her­aus­ge­stellt, dass die Sili­zi­um-Ato­me in den Oli­vi­nen mit stei­gen­dem Was­ser­ge­halt zwar beweg­li­cher wer­den, die Sili­zi­um-Dif­fu­si­on also ansteigt. Doch die­ser Anstieg fällt sehr gering aus – viel gerin­ger als erwar­tet. Hong­zhan Fei und die wei­te­ren Autoren der in „Natu­re“ ver­öf­fent­lich­ten Stu­die kom­men des­halb zu dem Schluss, dass der Ein­fluss des Was­sers auf Pro­zes­se im obe­ren Erd­man­tel bis­her über­schätzt wur­de. Wie es aus­sieht, hat das Was­ser ins­be­son­de­re für die Plat­ten­tek­to­nik nicht die zen­tra­le Bedeu­tung, die ihm in der geo­wis­sen­schaft­li­chen For­schung bis­her zuge­schrie­ben wurde.

Bei den dif­fe­ren­zier­ten Unter­su­chun­gen zur Sta­bi­li­tät der Oli­vi­ne kamen die moder­nen For­schungs­tech­no­lo­gien im Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut zum Ein­satz, die Expe­ri­men­te bei sehr hohen Drücken und Tem­pe­ra­tu­ren ermög­li­chen. Hong­zhan Fei hat dabei eng mit Prof. Dr. Tomoo Kats­u­ra zusam­men­ge­ar­bei­tet, der seit 2010 die Pro­fes­sur für Struk­tur und Dyna­mik der Erd­ma­te­rie an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth inne­hat. Exter­ne For­schungs­part­ner bei der jetzt in „Natu­re“ ver­öf­fent­lich­ten Stu­die waren das Helm­holtz-Zen­trum Pots­dam (Deut­sches Geo­For­schungs­Zen­trum GFZ) sowie das Insti­tu­te for Stu­dy of the Earth’s Inte­ri­or an der Oka­ya­ma Uni­ver­si­ty in Japan.

Zur Per­son:

Hong­zhan Fei hat 2008 an der Zhe­jiang Uni­ver­si­ty in Chi­na ein Bache­lor-Stu­di­um der Geo­lo­gie abge­schlos­sen. Anschlie­ßend hat er am Insti­tu­te for Stu­dy of the Earth’s Inte­ri­or an der Oka­ya­ma Uni­ver­si­ty in Japan mit den For­schungs­ar­bei­ten für eine Dis­ser­ta­ti­on begon­nen. Seit 2010 setzt er sein Pro­jekt am Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) der Uni­ver­si­tät Bay­reuth fort.

Ver­öf­fent­li­chung:

Hong­zhan Fei, Micha­el Wie­den­beck, Dai­s­uke Yama­za­ki and Tomoo Katsura,
Small effect of water on upper-man­t­le rheo­lo­gy based on sili­con self-dif­fu­si­on coefficients,
in: Natu­re, 498, 213–215, (13 June 2013)
DOI:10.1038/nature12193