Tief im Erdinneren hält Eisenoxid extremen Temperaturen und Drücken stand

Die Kern-Mantel-Grenze (CMB) ist die Schnittstelle zwischen dem Eisenmetallkern der Erde und der dicken Gesteinsschicht des Erdmantels direkt über dem Kern. Es ist eine Welt der Extreme – Temperaturen von mehreren Tausend Grad Fahrenheit und Drücke, die mehr als eine Million Mal höher sind als der Druck an der Erdoberfläche. Auch wenn es auf der Erdoberfläche weit von unserer Umgebung entfernt zu sein scheint, können Materialwolken aus dem CMB über Millionen von Jahren durch den Planeten aufsteigen und die Chemie, die geologische Struktur und die Plattentektonik der Oberflächenwelt, in der wir leben, beeinflussen.

Obwohl Wissenschaftler nicht zum Erdmittelpunkt reisen können, um den CMB zu untersuchen, können sie durch die Messung von Erdbeben Hinweise darauf erhalten, was sich unter der Planetenoberfläche befindet. Seismische Wellen breiten sich je nach Material, durch das sie wandern, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus, sodass Forscher anhand seismischer Signaturen Rückschlüsse darauf ziehen können, was tief unter der Oberfläche liegt. Dies ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie Ultraschall Schallwellen verwendet, um Bilder vom Inneren des menschlichen Körpers abzubilden.

Neuere Forschungen zeigen, dass die Basis des Erdmantels tatsächlich komplex und heterogen ist – insbesondere gibt es bergartige Regionen, in denen seismische Wellen auf mysteriöse Weise langsamer werden. Diese als Ultralow Velocity Zones (ULVZs) bezeichneten Klumpen, die erstmals von Don Helmberger vom Caltech entdeckt wurden, sind Dutzende Kilometer dick und liegen etwa 3.000 Kilometer unter unseren Füßen.

„Da wir nicht einfach zum CMB gehen und Messungen durchführen können, gibt es viele offene Fragen zu einer Region, die für die Entwicklung unseres Planeten so wichtig ist“, sagt Jennifer Jackson, Professorin für Mineralphysik bei William E. Leonhard. „Warum gibt es die ULVZs und woraus bestehen sie? Was lehren sie uns über die Entwicklung der Erde und welche Rolle die Region in der Dynamik der Erde spielt? Sind die Blobs unter den extremen Bedingungen am CMB fest oder geschmolzen?“ “

Im Jahr 2010 schlugen Jackson und ihr Team vor, dass die Klumpen einen höheren Eisenoxidgehalt enthalten als der sie umgebende Mantel. Festes Eisenoxid würde seismische Wellen verlangsamen, was die gemessenen niedrigen Geschwindigkeiten beim Durchgang durch die Klumpen erklären könnte. Aber könnte Eisenoxid bei den extremen Temperaturen und Drücken des CMB überhaupt fest sein?

Nun hat eine neue Studie aus Jacksons Labor detaillierte Messungen des Verhaltens von Eisenoxid unter einem Temperatur- und Druckbereich durchgeführt, der denen am CMB ähnelt. Das daraus resultierende sogenannte Phasendiagramm zeigt, dass Eisenoxid entgegen bisheriger Theorien auch bei sehr hohen Temperaturen fest bleibt. Dies ist der bisher stärkste Beweis dafür, dass feste eisenreiche Regionen eine realistische Erklärung für ULVZs sind und möglicherweise eine entscheidende Rolle bei der Entstehung tiefliegender Fahnen spielen. Die Ergebnisse motivieren zukünftige Arbeiten an festen eisenreichen Materialien, um das tiefe Erdinnere besser zu verstehen.

Ein Papier, das die Forschung beschreibt erschien im Tagebuch Naturkommunikation am 13.11.

Auf atomarer Ebene besteht festes Eisenoxid aus Eisen- und Sauerstoffatomen, die ordentlich in sich wiederholenden Mustern angeordnet sind. Wenn der Feststoff zu schmelzen beginnt, verlieren die Atome ihre starr geordnete Struktur und beginnen, sich fließend zu bewegen. Die neue Studie unter der Leitung des ehemaligen Caltech-Doktoranden Vasilije Dobrosavljevic (PhD ’22) zielte darauf ab, die Temperaturen und Drücke, bei denen dieser Übergang stattfindet, experimentell zu bestimmen.

Das Erreichen extremer Temperaturen und Drücke in Experimenten ist seit Jahrzehnten möglich, aber die Experimente erfordern winzige Proben, die kleiner als die durchschnittliche Breite eines menschlichen Haares sind. Bei solch kleinen Proben ist es eine Herausforderung, die genaue Temperatur zu bestimmen, bei der ein Material den Übergang von fest zu flüssig beginnt. Seit über einem Jahrzehnt entwickeln Jackson und seine Mitarbeiter eine Technik zur Erkennung von Schmelzen bei hohen Drücken. Die neue Studie nutzt diese präzise Technik namens Mössbauer-Spektroskopie, um die dynamische Konfiguration von Eisenatomen zu beobachten.

„Wir nutzen Mössbauer, um Fragen zur dynamischen Bewegung von Eisenatomen zu beantworten“, sagt Dobrosavljevic. „Über einen kurzen Zeitraum von etwa 100 Nanosekunden wollen wir wissen: Bewegen sie sich kaum, wie in einem Festkörper, oder bewegen sie sich stark, wie in einer Flüssigkeit? Unsere neue Studie ergänzt die Mössbauer-Spektroskopie um eine unabhängige Methode, X- Strahlenbeugung, die es uns ermöglicht, die Positionen aller Atome in der Probe zu beobachten.“

Nach Dutzenden von Experimenten bei verschiedenen Temperaturen und Drücken entdeckte das Team, dass Eisenoxid unter dem Druck des CMB der Erde bei höheren Temperaturen schmilzt als bisher angenommen: über 4.000 Kelvin, was etwa 6.700 Grad Fahrenheit entspricht.

Die Studie lieferte auch ein unerwartetes Ergebnis über sogenannte atomare Defekte in Eisenmaterialien.

Forscher wissen, dass bei Druck auf Meereshöhe jede Eisenoxidprobe winzige, regelmäßig verteilte Defekte in ihrer Atomstruktur aufweist. Auf 100 Sauerstoffatome kommen nur etwa 95 Eisenatome, was bedeutet, dass etwa fünf Eisenatome „fehlen“. Forscher haben darüber diskutiert, wie sich diese Defekte auf atomarer Ebene in größerem Maßstab auf das Material auswirken könnten – wie es beispielsweise Elektrizität und Wärme leitet oder sich unter Druck verformt und so weiter. Diese Parameter sind entscheidend für das Verständnis des Planeteninneren, wo Wärmefluss und Materialverformung die Planetendynamik steuern. Allerdings war das Verhalten von Defekten bei hohen Drücken und Temperaturen, wie sie am CMB gefunden wurden, bisher unbekannt.

Dobrosavljevic und sein Team fanden heraus, dass bei Temperaturen, die mehrere hundert Kelvin unter dem Schmelzpunkt von Eisenoxid liegen, die winzigen atomaren Defekte beginnen, sich innerhalb des festen Materials zu verschieben und „ungeordnet“ zu werden. Dies könnte erklären, warum frühere Experimente darauf hindeuteten, dass Eisenoxid bei niedrigeren Temperaturen schmilzt: Diese Experimente beobachteten tatsächlich eher Verschiebungen der Defekte als das Schmelzen der gesamten Kristallstruktur.

„Bevor der feste Kristall in eine Flüssigkeit übergeht, sehen wir, dass die Defektstruktur einen Übergang von geordnet zu ungeordnet durchläuft“, sagt er. „Jetzt wollen wir wissen, welche Auswirkungen dieser neu entdeckte Übergang auf die physikalischen Eigenschaften eisenreicher Regionen wie der ULVZ hat? Wie wirken sich die Defekte auf den Wärmetransport aus und was bedeutet das für die Bildung und Erzeugung aufsteigender Fahnen.“ die an die Oberfläche gelangen? Diese Fragen werden die weitere Forschung leiten.“

Der Artikel trägt den Titel „Schmelz- und Defektübergänge in FeO bis zu Drücken der Kern-Mantel-Grenze der Erde.“