Es ist keine leichte Aufgabe, durch die Schichten zu blicken, aus denen die Erde besteht – die Kruste, der obere Mantel, der untere Mantel und der Kern. Schließlich ist es nicht so, dass ein Querschnitt des Planeten ohne Weiteres für Studien zur Verfügung steht.
Jetzt glauben Wissenschaftler, dass sie ein neues Mineral im unteren Erdmantel entdeckt haben, einem Abschnitt, der 55 Prozent des Gesamtvolumens der Erde ausmacht.
Wir kennen bereits die drei Hauptminerale der Schicht – Bridgmanit, Ferroperiklas und Davemaoit – aber es könnte durchaus noch ein weiteres geben. Was Forscher seit einiger Zeit verwirrt, ist, dass Bridgmanit und Davemaoit dank ihrer ähnlichen kristallinen Anordnungen (technisch als Perowskitstruktur bekannt) bei hohen Temperaturen theoretisch miteinander verschmelzen sollten.
Bisherige Experimente haben dies jedoch nicht gezeigt.
„Warum verschmelzen Davemaoit und Bridgmanit nicht zu einem, obwohl sie sehr ähnliche atomare Strukturen haben? Diese Frage hat Forscher über zwei Jahrzehnte lang fasziniert“, sagt der Geowissenschaftler Dan (Sang-Heon) Shim von der Arizona State University.
„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.“
Durch eine Reihe von Hochdruckheizexperimenten in einer speziellen Kammer versuchten die Forscher, die Bedingungen im gesamten unteren Erdmantel zu simulieren. Entscheidend ist, dass sie die Temperaturen sehr schnell erhöhten und in weniger als einer Sekunde etwa 1.650 bis 1.925 Grad Celsius (3.000 bis 3.500 Grad Fahrenheit) erreichten, bevor sie auf Temperaturen von etwa 2.800 Grad Celsius stiegen.
Die kleinen, erhitzten Proben – jetzt bei Temperaturen, die für die oberste Schicht des unteren Mantels bis hinunter zum tiefen unteren Mantel repräsentativ sind – wurden dann durch Röntgenbildgebung untersucht, um die Struktur ihrer Mineralien abzubilden. Unerwarteterweise wurde bei Temperaturen um 2.000 Grad Celsius und darüber gezeigt, dass sich ein einziges Perowskit-Mineral bildet, eine Kombination aus Davemaoit und Bridgmanit.
Dies weist darauf hin, dass der tiefere Teil des unteren Mantels aufgrund der höheren Temperatur und des höheren Drucks eine andere Mineralogiemischung aufweist als der Abschnitt darüber. Eine Verschmelzung von Bridgmanit und Davemaoit weiter unten würde ein zusätzliches zu berücksichtigendes Mineral hinzufügen, und die Forscher glauben, dass Eisen wahrscheinlich eine wichtige Rolle spielt.
„Es wurde angenommen, dass ein großer Größenunterschied zwischen Calcium und Magnesium, den Hauptkationen von Davemaoit bzw. Bridgmanit, diese beiden Mineralien daran hindern sollte, zu verschmelzen“, sagt der Mineraloge Byeongkwan Ko von der Michigan State University.
“Aber unsere Studie zeigt, dass sie solche Unterschiede in heißen Umgebungen überwinden können.”
Der Erdmantel war früher viel heißer als heute, was darauf hindeutet, dass die Verschmelzung von Perowskitmineralien häufiger gewesen wäre – und dass sich daher die geologische Zusammensetzung im Laufe der Zeit erheblich verändert hat.
Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Untersuchungen überein, die darauf hindeuten, dass sich die Eigenschaften des unteren Mantels ändern, je tiefer er geht. Dies werden zukünftige Studien weiter analysieren können – sowohl in Bezug auf seinen aktuellen Zustand als auch auf seinen Zustand in der Vergangenheit.
„Unser Befund erfordert eine Überarbeitung der Mineralogiemodelle des tiefen Mantels und wird sich auf unser Verständnis der Zusammensetzung, Struktur, Dynamik und Entwicklung der Region auswirken“, schreiben die Forscher in ihrem veröffentlichten Artikel.
Die Forschung wurde in veröffentlicht Natur.