Bayreuther Hochdruck- Experimente offenbaren unerwartete Elektronenstruktur im Erdinneren

Eisen in Mineralen kann unter hohem Druck eine ungewöhnliche Elektronenstruktur annehmen, die offensichtlich fast überall im tiefen Erdmantel stabil ist. Die neuen, experimentell gewonnenen Erkenntnisse stellen einige der bisherigen Vorstellungen über Eigenschaften des unteren Erdmantels (in 660 bis 2990 km Tiefe) in Frage. Diese von Theoretikern nicht vorhergesagte Entdeckung wird jetzt in der Fachzeitschrift Nature Geoscience vorgestellt.

Der größte Teil des Erdinneren ist aufgrund der dort herrschenden hohen Temperaturen und Drücke für direkte Untersuchungen nicht zugänglich. Wissenschaftler wenden daher indirekte Methoden auf der Basis geophysikalischer Messdaten (z.B. aus Erdbebenereignissen) und experimentell erzielter Ergebnisse an, um sich ein Bild über Zustände und Prozesse im Erdinneren zu machen.

Derartige Modelle verraten nicht nur, wie sich Temperatur und chemische Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Erdtiefe ändern, sondern auch, wie sich Vorgänge im Erdinneren auf Prozesse an der Erdoberfläche auswirken.

Das in der Erde am weitesten verbreitete Mineral ist ein magnesium- und eisenhaltiges Silikat mit Perowskit-Struktur. Eisen kann als ein Übergangselement bei veränderten Umgebungsbedingungen seine Elektronenstruktur verändern und physikalische Eigenschaften wie Dichte und Leitfähigkeit beeinflussen. Übergänge in andere Spinzustände (Anzahl von Elektronenpaaren in der Atomhülle) werden zum Beispiel dadurch verursacht, dass sich das Verhältnis gepaarter und ungepaarter Elektronen in den Atomschalen ändert. Übergänge im Spinzustand von Eisen in Perowskiten im unteren Erdmantel werden bereits seit einigen Jahren untersucht, jedoch gelangte bisher jede Studie zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen. Der Spinzustand von Eisen im unteren Erdmantel ist ein Rätsel geblieben.

Forscher des Bayerischen Geoinstituts der Universität Bayreuth haben jetzt zusammen mit Wissenschaftlern aus Grenoble/Frankreich und Chicago/USA eindeutige Hinweise auf Spinübergänge bei niedrigeren Drücken in diesem Mineral gefunden. Für ihre Hochdruck- und Hochtemperatur-Experimente verwendeten sie eine Bayreuther Diamantstempelzelle mit einer Miniatur-Heizvorrichtung, mit der Drücke bis 110 Gigapascal (GPa) erzeugt werden können. Das entspricht 1,1 Millionen-fachen atmosphärischem Druck, was fast dem im Erdkern herrschenden Druck entspricht. Für die Untersuchungen wurden extrem starke Röntgenstrahlen verwendet, die nur in wenigen Großforschungseinrichtungen verfügbar sind.

Die internationale Forschergruppe fand heraus, dass Eisen in diesen Perowskiten über fast den gesamten Tiefenbereich des unteren Erdmantels in einem ungewöhnlichen Spinzustand vorliegt, in dem die Elektronen nur teilweise gepaart sind. Das Eisen verhält sich damit chemisch und physikalisch völlig anders, als man es unter Normalbedingungen gewohnt ist.

Die neuen Ergebnisse machen eine Anpassung bestehender Modelle erforderlich. Das Ausmaß der notwendigen Anpassungen wird durch weitere Hochdruckexperimente entschieden werden. „Es ist immer spannend, etwas Neues über das Erdinnere herauszufinden, besonders wenn dadurch unsere bisherigen Konzepte überdacht werden müssen. Wer kann sagen, welche weiteren Überraschungen hier auf uns zukommen“, erklärt Dr. Catherine McCammon, die am Bayreuther Bayerischen Geoinstitut forschende Hauptautorin des Fachartikels.

Kontakt:
Dr. Catherine McCammon
Telefon: 0921/55 3709
E-mail: catherine.mccammon@uni-bayreuth.de
Original publication in Nature Geoscience
Vol. 1|14 September 2008| doi: 10.1038/ngeo309