Forscher entdecken bisher unbekannte Mineralogie der tiefen Erde

Wie ist die Erde aufgebaut? Zunächst einmal besteht es aus mehreren Schichten: der Kruste, dem oberen und unteren Mantel und dem Kern. Der Mantel macht den größten Teil des Volumens unseres Planeten aus – 84 %. Der untere Mantel macht 55 % des Erdvolumens aus – er ist auch heißer und dichter als der obere Mantel.

Der untere Mantel hat eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Erde gespielt, einschließlich der Frage, wie sich die Erde über Milliarden von Jahren abgekühlt hat, wie Materialien zirkuliert wurden und wie Wasser gespeichert und über einen geologischen Zeitrahmen aus dem tiefen Inneren transportiert wird.

Seit mehr als sieben Jahrzehnten wird die Mineralogie des unteren Erdmantels intensiv untersucht. Die jahrzehntelangen Studien, darunter Laborexperimente, Computersimulationen und die Untersuchung von Einschlüssen in tiefen Diamanten, führten zu dem Schluss, dass der untere Mantel aus drei Hauptmineralen besteht: Bridgmanit, Ferroperiklas und Davemaoit.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Natur, ein Team von Wissenschaftlern – darunter Byeongkwan Ko, ehemaliger Ph.D. Student an der ASU, jetzt Postdoktorand an der Michigan State University, und Sang-Heon Dan Shim, Professor an der School of Earth and Space Exploration und Navrotsky-Professor für Materialforschung an der ASU, haben ein neues Hochdruckexperiment mit einigen verschiedenen Stilen durchgeführt des Erhitzens, um ein zusätzliches Mineral freizulegen, das sich im unteren Mantel befindet.

Unter diesen drei Hauptmineralien haben zwei Minerale, Bridgmanit und Davemaoit, beide sogenannte Perowskit-Kristallstrukturen. Diese Struktur ist auch in der Physik, Chemie und Materialtechnik weithin bekannt, da einige Materialien mit der Struktur vom Perowskit-Typ Supraleitfähigkeit gezeigt haben.

In geringen Tiefen verschmelzen Mineralien mit ähnlichen Kristallstrukturen oft und werden zu einzelnen Mineralien, typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung. Zum Beispiel enthält mineralisches Diopsid sowohl Calcium als auch Magnesium und ist in der Kruste stabil. Trotz der strukturellen Ähnlichkeit haben bestehende Studien jedoch gezeigt, dass Davemaoit, reich an Kalzium, und Bridgmanit, reich an Magnesium, im gesamten unteren Mantel getrennt bleiben.

„Warum verschmelzen Davemaoit und Bridgmanit nicht zu einem, obwohl sie sehr ähnliche atomare Strukturen haben? Diese Frage hat Forscher über zwei Jahrzehnte lang fasziniert“, sagte Shim. „Es wurden viele Versuche unternommen, Bedingungen zu finden, unter denen diese beiden Mineralien verschmelzen, aber die Antwort aus Experimenten war durchweg zwei getrennte Mineralien. Hier hatten wir das Gefühl, dass wir einige frische neue Ideen in Experimenten brauchen.“

Das neue Experiment war eine Gelegenheit für die Forschungsgruppe, verschiedene Heiztechniken auszuprobieren, um Methoden zu vergleichen. Anstatt die Temperatur in herkömmlichen Hochdruckexperimenten langsam zu erhöhen, erhöhten sie die Temperatur sehr schnell auf die hohe Temperatur im Zusammenhang mit dem unteren Mantel und erreichten innerhalb einer Sekunde 3000–3500 F. Der Grund dafür war, dass, sobald sich zwei Mineralien mit Perowskit-Struktur gebildet haben, es für sie sehr schwierig wird, sich zu verschmelzen, selbst wenn sie Temperaturbedingungen ausgesetzt sind, bei denen ein einzelnes Perowskit-Mineral stabil sein sollte.

Durch schnelles Erhitzen der Proben auf Zieltemperaturen konnten Ko und Shim die Bildung von zwei Mineralien mit Perowskitstruktur bei niedrigen Temperaturen vermeiden. Sobald sie die Temperatur des unteren Mantels erreicht haben, überwachen sie 15–30 Minuten lang mit Röntgenstrahlen an der Advanced Photon Source, welche Mineralien sich bilden. Sie fanden heraus, dass sich nur ein einziges Perowskit-Mineral bildet, unerwartet aus den vorherigen Experimenten. Sie fanden heraus, dass Davemaoit und Bridgmanit bei ausreichend hohen Temperaturen von mehr als 3500 F zu einem einzigen Mineral in der Struktur vom Perowskit-Typ werden.

„Es wurde angenommen, dass ein großer Größenunterschied zwischen Kalzium und Magnesium, den Hauptkationen von Davemaoit bzw. Bridgmanit, diese beiden Mineralien daran hindern sollte, zu verschmelzen“, sagte Ko. „Aber unsere Studie zeigt, dass sie solche Unterschiede in heißen Umgebungen überwinden können.“

Die Experimente legen nahe, dass der tiefere untere Mantel mit ausreichend hoher Temperatur eine andere Mineralogie aufweisen sollte als der flachere untere Mantel. Da der Mantel in der frühen Erde viel wärmer war, deuten die neuen Ergebnisse der Gruppe darauf hin, dass der größte Teil des unteren Mantels damals ein einziges Mineral mit Perowskitstruktur aufwies, was bedeutet, dass sich die Mineralogie vom heutigen unteren Mantel unterschied.

Diese neue Beobachtung hat eine Reihe erheblicher Auswirkungen auf unser Verständnis der Tiefen der Erde. Viele seismische Beobachtungen haben gezeigt, dass sich die Eigenschaften des tieferen unteren Mantels von denen des flacheren unteren Mantels unterscheiden. Es wird berichtet, dass die Änderungen schrittweise erfolgen. Die Verschmelzung von Bridgmanit und Davemaoit zeigt sich in den Experimenten der Forschungsgruppe als allmählich.

Außerdem stimmen die Eigenschaften eines Gesteins mit drei Hauptmineralen, Bridgmanit, Ferroperiklas und Davemaoit, nicht gut mit den Eigenschaften des tieferen unteren Mantels überein. Ko und Mitarbeiter sagen voraus, dass diese ungelösten Probleme durch eine Verschmelzung von Bridgmanit und Davemaoit zu einem neuen einzigen Mineral mit Perowskitstruktur erklärt werden können.