Bay­reu­ther Hoch­druck­for­scher lösen Meteo­ri­ten-Rät­sel

Eine For­scher­grup­pe der Uni­ver­si­tät Bay­reuth hat die lang­ge­such­te Erklä­rung für den schein­bar wider­sprüch­li­chen Auf­bau von Mond- und Mars-Meteo­ri­ten gefun­den. In Zusam­men­ar­beit mit dem Deut­schen Elek­tro­nen-Syn­chro­tron (DESY) in Ham­burg, der Euro­pean Syn­chro­tron Radia­ti­on Faci­li­ty (ESRF) in Gre­no­ble und mit wei­te­ren For­schungs­part­nern in Lyon und Wien haben die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler um Prof. Dr. Dr. h.c. Leo­nid Dubro­vin­sky zei­gen kön­nen, wes­halb die Meteo­ri­ten auf eng­stem Raum Mine­ra­le ent­hal­ten kön­nen, deren Ent­ste­hungs­be­din­gun­gen sich stark unter­schei­den. Die in ‚Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons‘ ver­öf­fent­lich­ten Erkennt­nis­se geben der Meteo­ri­ten­for­schung ins­ge­samt neue Impul­se.

Wenn Asteo­ri­de oder Kome­ten auf dem Mond oder dem Mars auf­pral­len, ent­ste­hen hohe Drücke und Tem­pe­ra­tu­ren, die das vom Ein­schlag getrof­fe­ne Gestein schock­ar­tig ver­än­dern. Oft­mals wer­den ein­zel­ne Brocken des ver­än­der­ten Gesteins zur Erde hin­ab­ge­schleu­dert. Vie­le die­ser Meteo­ri­te haben der Wis­sen­schaft vor allem aus zwei Grün­den Rät­sel auf­ge­ge­ben:

  • Zum einen ent­hal­ten sie Sei­fer­tit, ein Mine­ral, das sich unter extrem hohen Drücken aus Sili­zi­um­di­oxid (SiO₂) bil­det. Asteo­rid- oder Kome­ten-Ein­schlä­ge, die der­art hohe Drücke erzeu­gen, müss­ten so hef­tig sein, dass grö­ße­re Berei­che des Mond- und Mars­ge­steins dadurch auf­ge­schmol­zen oder zer­trüm­mert wer­den. Doch von sol­chen Kata­stro­phen ist der For­schung nichts bekannt.
  • Zum ande­ren befin­det sich oft­mals direkt neben dem Sei­fer­tit das Mine­ral Cri­sto­ba­lit, das bei deut­lich gerin­ge­ren Drücken aus Sili­zi­um­di­oxid ent­steht.

Den Wis­sen­schaft­lern am Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist es jetzt gelun­gen, die­sen selt­sa­men Meteo­ri­ten-Auf­bau zu erklä­ren. An der Rönt­gen­licht­quel­le PETRA III des DESY in Ham­burg sowie an der Euro­päi­schen Syn­chro­tron­quel­le ESRF in Gre­no­ble haben sie Cri­sto­ba­lit-Pro­ben einer inten­si­ven Bestrah­lung und hohen Drücken von bis zu 83 Giga­pas­cal aus­ge­setzt – dies ent­spricht unge­fähr dem 820.000-fachen Druck der Erd­at­mo­sphä­re. Die Beu­gungs­mu­ster des Rönt­gen­lichts zeig­ten, wie sich das Mine­ral bei unter­schied­li­chen Drücken ver­än­der­te. Als ent­schei­dend erwies sich der Unter­schied zwi­schen einem hydro­sta­ti­schen Druck, der das Mine­ral aus allen Rich­tun­gen mit glei­cher Stär­ke zusam­men­presst, und einem nicht-hydro­sta­ti­schen Druck, der ungleich­mä­ßig auf das Mine­ral ein­wirkt und dar­in star­ke Span­nun­gen erzeugt. Die Ergeb­nis­se haben die For­scher über­rascht:

  • Ein hoher nicht-hydro­sta­ti­scher Druck ver­wan­delt Cri­sto­ba­lit dau­er­haft in Sei­fer­tit – und zwar auch dann, wenn er schwä­cher ist als der äußerst hohe Druck, der nötig wäre, um Sei­fer­tit direkt aus Sili­zi­um­di­oxid zu for­men.
  • Wird Cri­sto­ba­lit dage­gen einem hohen Druck aus­ge­setzt, der von der Gleich­mä­ßig­keit eines hydro­sta­ti­schen Drucks nur gering­fü­gig abweicht, nimmt das Mine­ral eine neue Kri­stall­struk­tur an. Die­se Struk­tur, Cri­sto­ba­lit X‑I, war zuvor noch bei kei­nem Sili­kat beob­ach­tet wor­den. Sobald der ‚qua­si-hydro­sta­ti­sche‘ Druck absinkt, fällt Cri­sto­ba­lit in sei­ne ursprüng­li­che Struk­tur zurück.

Des Rät­sels Lösung

Mit die­sen Erkennt­nis­sen lässt sich das Rät­sel der Meteo­ri­te leicht auf­lö­sen: Der dar­in ent­hal­te­ne Sei­fer­tit muss kein Pro­dukt extre­mer Ein­schlä­ge sein, die für Mond und Mars dra­ma­ti­sche Fol­gen gehabt hät­ten. Er kann sich auch, bei weni­ger hef­ti­gen Ein­schlä­gen, unter gerin­ge­ren – wenn­gleich immer noch hohen – nicht-hydro­sta­ti­schen Drücken aus Cri­sto­ba­lit gebil­det haben. „Der an Sei­fer­tit angren­zen­de Cri­sto­ba­lit lässt sich gut als ein unter sin­ken­dem Druck ent­stan­de­nes Rück­fall­pro­dukt aus Cri­sto­ba­lit X‑I erklä­ren. Cri­sto­ba­lit X‑I hat sich nur vor­über­ge­hend unter qua­si-hydro­sta­ti­schem Druck gebil­det“, erklärt Dr. Ana Čer­nok vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, die zur­zeit als Marie Curie Fel­low an der Open Uni­ver­si­ty in Groß­bri­tan­ni­en arbei­tet. „Die Annah­me, dass sowohl nicht-hydro­sta­ti­sche als auch qua­si-hydro­sta­ti­sche Drücke auf eng­stem Raum ent­ste­hen, wenn Mond, Mars oder ande­re Pla­ne­ten schock­ar­tig von Ein­schlä­gen getrof­fen wer­den, stimmt mit den bis­he­ri­gen Ergeb­nis­sen der Meteo­ri­ten­for­schung gut über­ein“, ergänzt Prof. Dubro­vin­sky.

Der Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler betont, dass die neu­en Erkennt­nis­se grund­sätz­li­che Bedeu­tung für die Meteo­ri­ten­for­schung haben: „Mine­ra­li­en wie Cri­sto­ba­lit und Sei­fer­tit erlau­ben, für sich genom­men, kei­ne ein­deu­ti­gen Rück­schlüs­se auf die Ent­ste­hung der Meteo­ri­ten. Unse­re Mes­sun­gen zei­gen, dass glei­che Kri­stal­le sehr unter­schied­li­che Ent­ste­hungs­ge­schich­ten haben kön­nen. Zudem ist deut­lich gewor­den, dass es neben der Höhe von Drücken und Tem­pe­ra­tu­ren einen wei­te­ren wich­ti­gen Fak­tor gibt, der ver­stärkt in die Ana­ly­sen von Meteo­ri­ten ein­be­zo­gen wer­den soll­te: die zum Teil äußerst hohen mecha­ni­schen Span­nun­gen, die als Fol­ge unter­schied­li­cher Druck­zo­nen an der Gesteins­bil­dung betei­ligt sind.“

Mine­ra­lo­gi­sche For­schung in inter­na­tio­na­ler Zusam­men­ar­beit

Cri­sto­ba­lit ist nach dem Vul­kan San Cri­sto­bal in Mexi­ko benannt, wo das 1884 erst­mals beschrie­be­ne Gestein gefun­den wur­de. Modern­ste For­schungs­tech­no­lo­gien haben es jetzt ermög­licht, die unge­wöhn­li­che Struk­tur Cri­sto­ba­lit X‑I zu ent­decken und zu beschrei­ben. Neben dem Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut sowie den Elek­tro­nen-Syn­chro­tron­an­la­gen in Ham­burg und Gre­no­ble waren auch die Uni­ver­si­tät Wien und das Natio­na­le For­schungs­zen­trum in Lyon (CNRS, ENS) betei­ligt. „In Lyon konn­ten wir mit Simu­la­tio­nen an Hoch­lei­stungs­rech­nern wich­ti­ge Infor­ma­tio­nen über die dyna­mi­sche Sta­bi­li­tät von Cri­sto­ba­lit X‑I unter hohem Druck gewin­nen“, sagt Dr. Razvan Cara­cas in Lyon, frü­he­rer Mit­ar­bei­ter am Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut. „Unse­re Unter­su­chun­gen an der Anla­ge für Trans­mis­si­ons­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie in Bay­reuth haben gezeigt, dass Cri­sto­ba­lit X‑I bei nach­las­sen­dem Druck wie­der in die ursprüng­li­che Struk­tur von Cri­sto­ba­lit zurück­fällt – was eben­falls ein ent­schei­den­der Bei­trag zur Auf­lö­sung des Meteo­ri­ten-Rät­sels war“, ergänzt Dr. Katha­ri­na Mar­quardt vom BGI.

Namens­pa­tron des Sei­fer­tit ist der Bay­reu­ther Mine­ra­lo­ge Prof. Dr. Dr. h.c. Fried­rich Sei­fert, Grün­der und lang­jäh­ri­ger Direk­tor des Baye­ri­schen Geo­in­sti­tuts. Prof. Dr. Ahmed El Gore­sy am Max-Planck-Insti­tut für Che­mie in Mainz hat­te das Mine­ral zuerst in Mars­me­teo­ri­ten ent­deckt. Auf sei­nen Vor­schlag hin ent­schied sich die Inter­na­tio­na­le Mine­ra­lo­gi­sche Gesell­schaft (IMA) im Jahr 2004 für den Namen „Sei­fer­tit“.

Ver­öf­fent­li­chun­gen:

Ana Čer­nok, Katha­ri­na Mar­quardt, Razvan Cara­cas, Ele­na Byko­va, Ger­lin­de Habler, Hanns-Peter Lier­mann, Micha­el Hanf­land, Moha­med Mezou­ar, Ema Bobo­cioiu, and Leo­nid Dubro­vin­sky, Com­pres­sio­nal pathways of α‑cristobalite, struc­tu­re of cri­sto­ba­li­te X‑I, and towards the under­stan­ding of sei­fer­ti­te for­ma­ti­on.
Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons, 2017; DOI: 10.1038/ncomms15647.

Die Erst­au­torin Dr. Ana Čer­nok wur­de 2016 an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth mit einer Arbeit über Cri­sto­ba­lit und Coe­sit pro­mo­viert. Wäh­rend der Arbeit an ihrer Dis­ser­ta­ti­on – online zugäng­lich unter https://​eref​.uni​-bay​reuth​.de/​2​9​9​13/ – wur­de sie von der Uni­ver­si­ty of Bay­reuth Gra­dua­te School unter­stützt.

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