Schlüs­sel zum Erd­in­ne­ren: Bay­reu­ther For­scher erzeu­gen ano­ma­le Kristalle

Ano­ma­le Kri­stal­le: ein Schlüs­sel zu ato­ma­ren Struk­tu­ren von Schmel­zen im Erdinneren

For­scher der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben außer­ge­wöhn­li­che Kri­stall­struk­tu­ren her­ge­stellt, die den klas­si­schen Regeln der Kri­stall­che­mie wider­spre­chen. Es han­delt sich um Pha­sen, die aus dem Mine­ral Coe­sit ent­ste­hen. Die ano­ma­len Struk­tu­ren bie­ten wert­vol­le Ansatz­punk­te, um die ato­ma­ren Struk­tu­ren von Sili­kat­schmel­zen im Erd­in­ne­ren zu ent­schlüs­seln und die Ent­ste­hung von Pla­ne­ten bes­ser zu ver­ste­hen. Zugleich wer­den sich seis­mi­sche Beob­ach­tun­gen mit grö­ße­rer Genau­ig­keit inter­pre­tie­ren las­sen. In Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons wur­den die For­schungs­er­geb­nis­se jetzt veröffentlicht.

Sili­ci­um­oxi­de mit der Sum­men­for­mel SiO2 kom­men in einer Viel­zahl von Modi­fi­ka­tio­nen vor. Quarz zählt zu die­ser gro­ßen Fami­lie. Für die Kri­stall­struk­tur des Quar­zes und der ande­ren Sili­ci­um­di­oxi­de, die in der Erd­kru­ste ent­hal­ten sind, ist ein Gerüst aus SiO4-Tetra­edern cha­rak­te­ri­stisch, die sich jeweils aus vier Sauer­stoff-Ato­men und einem Sili­ci­um-Atom in der Mit­te zusam­men­set­zen. Im Detail ist die Struk­tur der Sili­ci­um­di­oxid-Kri­stal­le aller­dings von den Druck- und Tem­pe­ra­tur­ver­hält­nis­sen in der Umge­bung abhän­gig. Sobald Quarz, das zweit­häu­fig­ste Mine­ral der Erd­kru­ste, von der Erd­ober­flä­che in eine Tie­fe von rund 70 Kilo­me­tern gelangt, ver­wan­delt es sich in Coe­sit. Die­ses Mine­ral ist über­ra­schend wand­lungs­fä­hig. So bil­den sich bei Drücken bis zu 30 Giga­pas­cal die Coe­sit-Pha­sen I, II und III her­aus, ohne dass sich die SiO4-Tetra­eder – die Bestand­tei­le ihres Gerüsts – ändern.

Erst­mals mög­lich: Berech­nung ato­ma­rer Struk­tu­ren von Silikatschmelzen

Nun aber haben die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler, in Koope­ra­ti­on mit dem Deut­schen Elek­tro­nen-Syn­chro­tron DESY in Ham­burg, die wei­te­ren Coe­sit-Pha­sen IV und V ent­deckt. Deren Gerüst setzt sich nicht mehr ein­heit­lich aus SiO4-Tetra­edern zusam­men, viel­mehr sind auch SiO5-Pen­ta­eder und SiO6-Okta­eder dar­in ent­hal­ten. Die­se ano­ma­len Struk­tu­ren öff­nen eine Tür für Unter­su­chun­gen des tie­fen Erd­in­ne­ren, wie sie bis­her nie mög­lich waren. Unter extrem hohen Drücken und Tem­pe­ra­tu­ren kön­nen im unte­ren Erd­man­tel Sili­kat­schmel­zen ent­ste­hen, deren ato­ma­re Struk­tu­ren bis heu­te unbe­kannt sind. Die Schmel­zen lie­fern im Unter­schied zu festen Kri­stall­struk­tu­ren kei­ne ein­deu­ti­gen Rönt­gen­beu­gungs­mu­ster. Um den­noch Mate­ri­al­struk­tu­ren in die­sen Schmel­zen iden­ti­fi­zie­ren zu kön­nen, bleibt nur ein Umweg: Jede Kri­stall­struk­tur besitzt eine Kenn­grö­ße, die soge­nann­te Paar­ver­tei­lungs­funk­ti­on. Sie zeigt an, wie hoch die Wahr­schein­lich­keit ist, dass sich inner­halb eines Kri­stalls in einer defi­nier­ten Ent­fer­nung von einem Atom ein wei­te­res Atom befin­det. Falls eine feste Kri­stall­struk­tur eine Paar­ver­tei­lungs­funk­ti­on besitzt, die der Paar­ver­tei­lungs­funk­ti­on von geschmol­ze­nen Sili­ka­ten ähnelt, ist dies ein wich­ti­ges Indiz für den ato­ma­ren Auf­bau der Schmel­ze. Bis­her war aller­dings für Sili­kat­schmel­zen und Sili­kat­glas kei­ne der­ar­ti­ge Kri­stall­struk­tur bekannt.

Den Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­lern ist es jedoch gelun­gen, die Paar­ver­tei­lungs­funk­tio­nen der Coe­sit-Pha­sen IV und V zu iden­ti­fi­zie­ren. Dabei haben sie fest­ge­stellt: Die ermit­tel­ten Wer­te kom­men den bekann­ten Paar­ver­tei­lungs­funk­tio­nen von kom­pri­mier­ten Sili­ka­ten und geschmol­ze­nem Basalt über­ra­schend nahe. Mehr noch: Bei Drücken von mehr als 45 Giga­pas­cal besit­zen die bei­den Coe­sit-Pha­sen die glei­che Dich­te wie Sili­kat­glas, das durch Schmelz­pro­zes­se ent­steht. „Die­se Über­ein­stim­mun­gen sind ein star­kes Indiz dafür, dass die äußerst unge­wöhn­li­chen Struk­tur­ele­men­te von Coe­sit IV und V in Sili­kat­schmel­zen im tie­fen Erd­in­ne­ren vor­kom­men. Die­se Schmel­zen haben, wie wir heu­te glau­ben, bei der Ent­ste­hung der Erde – ins­be­son­de­re der Dif­fe­ren­zie­rung von Erd­kern und Erd­man­tel – eine zen­tra­le Rol­le gespielt. Für ein genaue­res Ver­ständ­nis die­ses Pro­zes­ses lie­fern uns die unge­wöhn­li­chen Coe­sit-Pha­sen wert­vol­le Anhalts­punk­te“, erklärt Prof. Dr. Leo­nid Dubro­vin­sky, der Pro­jekt­lei­ter der neu­en Studie.

Genaue­re Inter­pre­ta­tio­nen seis­mi­scher Daten

Die For­scher ver­mu­ten, dass die struk­tu­rel­len Ano­ma­lien – vor allem die SiO5-Pen­ta­eder und SiO6-Okta­eder, die gemein­sa­me Flä­chen haben – eine gerin­ge­re Mate­ri­al­dich­te in den Schmel­zen ver­ur­sa­chen. „Die­se unge­wöhn­li­chen Bau­stei­ne könn­ten dazu füh­ren, dass sich Schall­wel­len in geschmol­ze­nen Berei­chen des Erd­in­ne­ren deut­lich lang­sa­mer fort­set­zen. Inso­fern lie­fern die Ana­ly­sen von Coe­sit IV und V wert­vol­le Hin­wei­se für die Inter­pre­ta­ti­on seis­mi­scher Daten. Sie kön­nen die Bezie­hun­gen zwi­schen tie­fen Schmel­zen und Vul­ka­nis­mus sowie zwi­schen tie­fen Schmel­zen und Erd­be­ben erklä­ren hel­fen“, erläu­tert Prof. Dr. Nata­lia Dubro­vins­ka­ia vom Labor für Kri­stal­lo­gra­phie der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Ano­ma­le Kri­stall­struk­tu­ren durch­bre­chen die „Pau­ling-Regeln“

Die höchst unge­wöhn­li­chen Struk­tu­ren von Coe­sit IV und Coe­sit V durch­bre­chen die bis heu­te von der Fach­welt aner­kann­ten Ver­knüp­fungs­re­geln, die der US-ame­ri­ka­ni­sche Che­mi­ker und Nobel­preis­trä­ger Linus Pau­ling im Jahr 1954 für Kri­stal­le auf­ge­stellt hat. Die­se Regeln postu­lie­ren ins­be­son­de­re, dass die Anzahl ver­schie­de­ner Bau­ele­men­te eines Kri­stalls dazu ten­diert, mög­lichst klein zu sein, und dass gemein­sa­me Flä­chen zwei­er Poly­eder die Sta­bi­li­tät der Struk­tur ver­rin­gern und daher unwahr­schein­lich sind. Des­sen unge­ach­tet besit­zen die jetzt ent­deck­ten Struk­tu­ren bis zu drei ver­schie­de­ne Bau­ele­men­te (SiO4-Tetra­eder, SiO5-Pen­ta­eder und SiO6-Okta­eder), und SiO6-Okta­eder haben gemein­sa­me Flä­chen. “Es hat ein Jahr gedau­ert, bis wir durch Unter­su­chun­gen in ver­schie­de­nen Syn­chro­tron­an­la­gen bewei­sen konn­ten, dass die­se Struk­tu­ren tat­säch­lich exi­stie­ren“, sagt die Erst­au­torin der Stu­die Dr. Ele­na Byko­va, die vor drei Jah­ren an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth bei Prof. Dubro­vin­sky und Prof. Dubro­vins­ka­ia pro­mo­viert hat.

For­schungs­för­de­rung:

Die For­schungs­ar­bei­ten an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth wur­den von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) sowie vom Bun­des­mi­ni­ste­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF) gefördert.

Ver­öf­fent­li­chung:

  1. Byko­va, M. Bykov, A. Čer­nok, J. Tid­holm, S.I. Simak, O. Hell­man, M.P. Belov, I.A. Abri­ko­sov, H.-P. Lier­mann, M. Hanf­land, V.B. Pra­ka­pen­ka, C. Pre­scher, N. Dubro­vins­ka­ia & L. Dubro­vin­sky: Metasta­ble sili­ca high pres­su­re poly­morphs as struc­tu­ral pro­xies of deep Earth sili­ca­te melts, Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons 9, 2018. DOI: 10.1038/s41467-018–07265‑z. // Open Access (http://​crea​ti​ve​com​mons​.org/​l​i​c​e​n​s​e​s​/​b​y​/​4​.0/).

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