Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Vis­ko­si­täts­mes­sun­gen bie­ten neue Ein­blicke in den Erd­man­tel

Dr. Longjian Xie bei der Vorbereitung eines Experiments am Elektronensynchrotron SOLEIL in Saint Aubin bei Paris. Foto: privat.

Dr. Long­ji­an Xie bei der Vor­be­rei­tung eines Expe­ri­ments am Elek­tro­nen­syn­chro­tron SOLEIL in Saint Aubin bei Paris. Foto: pri­vat.

Einer inter­na­tio­na­len For­scher­grup­pe mit Dr. Long­ji­an Xie vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist es erst­mals gelun­gen, die Vis­ko­si­tät zu mes­sen, die geschmol­ze­ne Fest­stof­fe unter den Druck- und Tem­pe­ra­tur­ver­hält­nis­sen im unte­ren Erd­man­tel auf­wei­sen. Die dabei gewon­ne­nen Daten stüt­zen die Annah­me, dass wäh­rend der frü­hen Erd­ge­schich­te in einer Tie­fe von rund 1.000 Kilo­me­tern – an der Gren­ze zum obe­ren Erd­man­tel – eine Bridgma­nit-rei­che Gesteins­schicht ent­stan­den ist. Zudem ent­hal­ten die Daten Hin­wei­se dar­auf, dass der unte­re Erd­man­tel grö­ße­re Reser­voirs von Mate­ria­li­en ent­hält, die aus einem frü­hen Mag­ma-Oze­an stam­men und sich unver­än­dert erhal­ten haben. In der Fach­zeit­schrift „Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons“ stel­len die For­scher ihre Ergeb­nis­se vor.

Bei den Mes­sun­gen der Vis­ko­si­tät haben die Wis­sen­schaft­ler ein von ihnen ent­wickel­tes Hei­zungs­ele­ment ange­wen­det, das auf einem Bor-dotier­ten und daher elek­trisch leit­fä­hi­gen Dia­mant beruht. So konn­ten sie Mate­ri­al­pro­ben in einer Dia­mant­stem­pel­zel­le bei Drücken von bis zu 30 Giga­pas­cal und bei Tem­pe­ra­tu­ren von annä­hernd 3.000 Grad Cel­si­us unter­su­chen – also unter ähn­li­chen Bedin­gun­gen, wie sie im unte­ren Man­tel der frü­hen Erde herrsch­ten. Die Pro­ben wur­den dabei so aus­ge­wählt, dass ihre Zusam­men­set­zung den wich­tig­sten Mine­ra­li­en im unte­ren Erd­man­tel ähn­lich ist. Mit einer super­schnel­len Kame­ra (1.000 Bilder/​Sekunde) wur­den die in der Dia­mant­stem­pel­zel­le ablau­fen­den Schmelz­pro­zes­se beob­ach­tet und die Vis­ko­si­tät des geschmol­ze­nen Mate­ri­als gemes­sen.

Die gewon­ne­nen Daten erwie­sen sich beson­ders auf­schluss­reich im Hin­blick auf den Mag­ma­oze­an, aus dem sich im Lau­fe der Erd­ge­schich­te der Erd­man­tel her­aus­bil­de­te. Die For­scher konn­ten auf­grund der Vis­ko­si­täts­mes­sun­gen zei­gen, dass die Kri­stal­li­sa­ti­on des Mag­ma­oze­ans wesent­lich von der Höhe des Drucks abhän­gig war. So kam es in einer Tie­fe von rund 1.000 Kilo­me­tern zu einer soge­nann­ten frak­tio­na­len Kri­stal­li­sa­ti­on. „Unse­re Mess­da­ten stüt­zen die Annah­me, dass in die­ser Tie­fe auf­grund von Kri­stal­li­sa­ti­ons­pro­zes­sen eine Gesteins­schicht ent­stan­den ist, die einen sehr hohen Anteil des Mine­rals Bridgma­nit ent­hält. Die­se Schicht könn­te für die hohe Vis­ko­si­tät ver­ant­wort­lich sein, die in die­ser Tie­fe schon bei frü­he­ren geo­phy­si­ka­li­schen Unter­su­chun­gen beob­ach­tet wur­de“, erklärt Dr. Long­ji­an Xie, Post­dok­to­rand am BGI und Erst­au­tor der jetzt ver­öf­fent­lich­ten Stu­die. Die wei­te­ren Mit­glie­der des inter­na­tio­na­len Autoren­teams sind in Japan an der Oka­ya­ma Uni­ver­si­tät und dem Elek­tro­nen­syn­chro­tron Spring‑8 sowie in Frank­reich an der Uni­ver­si­té Cler­mont Auver­gne und dem Syn­chro­tron SOLEIL in Saint Aubin tätig.

Ver­öf­fent­li­chung
Long­ji­an Xie et al.: For­ma­ti­on of bridgma­ni­te-enri­ched lay­er at the top lower-mant­le during mag­ma oce­an soli­di­fi­ca­ti­on. Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­on 11, 548 (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019–14071‑8