Während Sie dies lesen, befindet sich mehr als 400 Meilen unter Ihnen eine riesige Welt mit extremen Temperaturen und Drücken, die sich länger aufgewühlt und entwickelt hat, als Menschen auf dem Planeten waren. Jetzt veranschaulicht ein detailliertes neues Modell von Caltech-Forschern das überraschende Verhalten von Mineralien tief im Inneren des Planeten über Millionen von Jahren und zeigt, dass die Prozesse tatsächlich auf eine Weise ablaufen, die völlig entgegengesetzt zu dem ist, was zuvor theoretisiert wurde.
Die Forschung wurde von einem internationalen Team von Wissenschaftlern durchgeführt, darunter Jennifer M. Jackson, William E. Leonhard Professor für Mineralphysik. Ein Artikel, der die Studie beschreibt, erscheint in der Zeitschrift Natur am 11. Januar.
„Trotz der enormen Größe des Planeten werden die tieferen Teile oft übersehen, weil sie buchstäblich außer Reichweite sind – wir können sie nicht untersuchen“, sagt Jackson. „Außerdem sind diese Prozesse so langsam, dass sie für uns nicht wahrnehmbar erscheinen. Aber die Strömung im unteren Mantel kommuniziert mit allem, was sie berührt; es ist ein tiefer Motor, der die Plattentektonik beeinflusst und möglicherweise die vulkanische Aktivität steuert.“
Der untere Mantel des Planeten besteht aus festem Gestein, aber über Hunderte von Millionen Jahren sickert er langsam wie eine dicke Karamellschicht durch und trägt Wärme in einem als Konvektion bezeichneten Prozess durch das Innere des Planeten.
Viele Fragen zu den Mechanismen, die diese Konvektion ermöglichen, bleiben unbeantwortet. Die extremen Temperaturen und Drücke am unteren Mantel – bis zu 135 Gigapascal und Tausende Grad Fahrenheit – erschweren die Simulation im Labor.
Zum Vergleich: Der Druck am unteren Mantel ist fast tausendmal so hoch wie der Druck am tiefsten Punkt des Ozeans. Während viele Laborexperimente zur Mineralphysik Hypothesen über das Verhalten von Gesteinen des unteren Mantels geliefert haben, waren die Prozesse, die in geologischen Zeitskalen ablaufen und den trägen Fluss der Konvektion des unteren Mantels antreiben, ungewiss.
Der untere Mantel besteht hauptsächlich aus einem Magnesiumsilikat namens Bridgmanit, enthält jedoch neben kleinen Mengen anderer Mineralien auch eine kleine, aber bedeutende Menge eines Magnesiumoxids namens Periklas, das dem Bridgmanit beigemischt ist. Laborexperimente hatten zuvor gezeigt, dass Periklas schwächer als Bridgmanit ist und sich leichter verformt, aber diese Experimente berücksichtigten nicht, wie sich Mineralien auf einer Zeitskala von Millionen von Jahren verhalten. Als Jackson und Kollegen diese Zeitskalen in ein komplexes Rechenmodell einbauten, stellten sie fest, dass Periklaskörner tatsächlich stärker sind als der sie umgebende Bridgmanit.
„Wir können die Analogie der Boudinage in der Rockplatte verwenden [image at right]wo Boudins, das französische Wort für Wurst, sich in einer starren, ‚stärkeren‘ Gesteinsschicht zwischen weniger kompetentem, ‚schwächerem‘ Gestein entwickelt“, sagt Jackson.
„Als weitere Analogie denken Sie an stückige Erdnussbutter“, erklärt Jackson. „Wir hatten jahrzehntelang geglaubt, Periklas sei das ‚Öl‘ in Erdnussbutter und fungierte als Schmiermittel zwischen den härteren Bridgmanit-Körnern. Basierend auf dieser neuen Studie stellt sich heraus, dass Periklas-Körner als ‚Nüsse‘ in klobigen Erdnüssen wirken Butter.Periklaskörner gehen einfach mit dem Fluss, beeinflussen aber nicht das viskoseVerhalten, außer unter Umständen, wenn die Körner stark konzentriert sind.Wir zeigen, dass die Mobilität in Periklas unter Druck im Vergleich zu Bridgmanitviel langsamer ist.Es gibt eine Umkehrung des Verhaltens : Periklas verformt sich kaum, während die Hauptphase, Bridgmanit, die Verformung im tiefen Erdmantel kontrolliert.
Das Verständnis dieser extremen Prozesse, die weit unter unseren Füßen ablaufen, ist wichtig, um genaue vierdimensionale Simulationen unseres Planeten zu erstellen, und es hilft uns auch, mehr über andere Planeten zu verstehen. Tausende von Exoplaneten (Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) wurden jetzt bestätigt, und die Entdeckung von mehr über die Mineralphysik unter extremen Bedingungen gibt neue Einblicke in die Entwicklung von Planeten, die sich radikal von unserem eigenen unterscheiden.
Mehr Informationen:
Patrick Cordier et al, Periklas verformt sich unter Mantelbedingungen langsamer als Bridgmanit, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05410-9