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Endlich ein Name!

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Das Mantelmineral Bridgmanit macht 38 Prozent des Gesamtvolumens der Erde aus - wurde aber erst jetzt benannt (thinkstock)
Es ist kaum zu glauben: Das häufigste Mineral der Erde hatte bis jetzt keinen offiziellen Namen. Denn diese Verbindung aus Magnesium, Eisen und Silizium entsteht nur unter den extremen Bedingungen des unteren Erdmantels – und damit außer Reichweite von Forschern. Seine genaue Struktur konnte daher nie offiziell beschrieben werden. Jetzt jedoch haben Forscher winzige Spuren des lange gesuchten Minerals in einem Meteoriten nachgewiesen. Dank ihrer Analyse bekommt das Mineral nun endlich einen Namen: Bridgmanit – benannt nach einem Pionier der geologischen Hochdruck-Experimente.

Je tiefer wir in das Erdinnere vordringen, desto höllischer werden die Bedingungen: Im Erdmantel steigen die Temperaturen bis auf über tausend Grad und der Druck erhöht sich bis auf das Millionenfache der Erdatmosphäre. Von solchen Verhältnissen bleiben selbst Gesteine und Minerale nicht unberührt. Wegen des hohen Drucks können sie nicht schmelzen, aber ihre Atome gehen den Weg des geringsten Widerstands: Sie bilden mit zunehmender Tiefe immer platzsparendere und damit stabilere Kristallstrukturen. Welche Strukturen dies sind, lässt sich bei den oberen Schichten des Erdmantels noch recht gut untersuchen, weil an manchen Orten Körnchen solcher Minerale in Magma eingeschlossen wurden und dann über Vulkane an die Erdoberfläche gelangten. Doch aus dem unteren Erdmantel, dem Bereich unterhalb von etwa 660 Kilometern Tiefe, gibt es solche konservierten Minerale kaum. Plötzliche Wechsel der Laufgeschwindigkeit seismischer Wellen zeigen aber, dass hier erneut ein Wechsel der Mineralform stattfinden muss.

Das im unteren Erdmantel dominierende Mineral ist eine Verbindung aus Magnesium, Eisen und Silizium (Mg, Fe)SiO3, die bisher meist vage als Silikat-Perowskit oder Perowskit bezeichnet wurde. Sie macht nach Schätzung von Geologen immerhin 38 Prozent des gesamten Erdvolumens aus. Aber welche Struktur diese Mineralform hat, konnte man nur über theoretische Modelle schlussfolgern, direkt beobachten aber ließ sie sich nicht. Das Problem dabei: Dieses Mineral ist nur unter den extremen Bedingungen des unteren Erdmantels stabil. Gelangt es in druckärmere Bereiche, lagern sich seine Atome bei Erwärmung wieder um und die Struktur geht verloren. Das aber bedeutet auch, dass dieses Mineral bisher namenlos bleiben musste. Denn die Regeln der Internationalen Mineralogischen Gesellschaft besagen, dass dafür eine in der Natur gefundene Probe beschrieben werden muss.

Fund im Meteoriten

„Eine der eklatantesten Lücken in der Erforschung des Erdmantels ist unser Unvermögen, Proben für das wahrscheinlich häufigste gesteinsbildende Mineral der Erde zu finden“, konstatieren Oliver Tschauner von der University of Nevada in Las Vegas und seine Kollegen. Diese Peinlichkeit haben sie nun – mit ein wenig außerirdischer Hilfe – behoben. Frühere Studien hatten bereits gezeigt, dass hochkompakte Mineralformen auch bei Meteoriteneinschlägen entstehen können. Denn im Moment des Impakts entstehen im Gestein ähnlich hohe Temperaturen und Drücke wie im Erdinneren. Tatsächlich lieferten Untersuchungen solcher Meteoritengesteine mit Hilfe der Transmissions-Elektronenmikroskopie auch schon erste Hinweise auf das lange gesuchte Perowskit-Mineral. Dummerweise destabilisierte der energiereiche Elektronenstrahl diese Mineralien, bevor ihre Struktur genauer analysiert werden konnte.

Um das zu umgehen, haben Tschauner und seine Kollegen nun Proben eines Meteoriten mit Hilfe von energiereichen synchrotronen Röntgenstrahlen untersucht. „Diese beschädigen das Bridgmanit nicht, weil sie kaum absorbiert werden“, erklären die Forscher. Und tatsächlich: In einem kleinen Schmelzäderchen des Meteoriten fanden die Forscher das Mineral und konnten seine Gitterstruktur und chemische Zusammensetzung erstmals genau beschreiben. Auch die Abstände der einzelnen Atome im Gitter ließen sich mit Hilfe der Röntgenstrahlen ausmessen. Wie Tschauner und seine Kollegen berichten, stimmt die von ihnen bestimmte Struktur relativ gut mit theoretischen Annahmen und mit den im Labor erzeugten künstlichen Variante überein, ist aber reicher an Natrium und Eisen als erwartet. Aus den Analysen schließen sie zudem, dass diese Mineralform ab Druckbedingungen von 23 bis 25 Gigapascal und Temperaturen von 2.000 bis 2.400 Kelvin entsteht.

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Das Wichtigste aber: Mit dieser Beschreibung sind endlich die Bedingungen für eine offizielle Benennung erfüllt. Auf Vorschlag der Forscher heißt das häufigste Mineral der Erde daher nun Bridgmanit. Es ist benannt nach Percy Bridgman, der vor mehr als 100 Jahren die ersten Apparaturen entwickelte, mit denen sich die extremen Drücke des Erdinneren im Labor erzeugen ließen.

Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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