Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Unter hohem Druck elastisch: Bayreuther Forscher erschließen Zusammensetzung des Erdmantels

30.03.2017

Ein Forscherteam am Bayerischen Geoinstitut der Universität Bayreuth hat erstmals unter sehr hohen Drücken die elastischen Eigenschaften von Bridgmanit ermittelt, einem Mineral, das mehr als die Hälfte des Volumens unseres Planeten ausmacht und für sein physikalisch-chemisches Verhalten von entscheidender Bedeutung ist. Die neuen Messungen ermöglichen grundlegende Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Erdinnern. So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass rund drei Viertel des unteren Erdmantels bis zu einer Tiefe von 1.200 Kilometern aus aluminium- und eisenhaltigem Bridgmanit bestehen. In „Nature“ stellen sie ihre Forschungsergebnisse vor.

Ungefähr 700 Kilometer unter der Erdoberfläche beginnt der untere Erdmantel, der bis in eine Tiefe von rund 2.900 Kilometern hinabreicht und empirischen Untersuchungen vor Ort nicht zugänglich ist. Um dennoch konkrete Aussagen über seine chemische Zusammensetzung treffen zu können, muss die Forschung die elastischen Eigenschaften der Minerale kennen, die im unteren Erdmantel sehr hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt sind.


Im Bayreuther Labor für Brillouin-Spektroskopie und Röntgenbeugung: Dr. Alexander Kurnosov bei der Untersuchung einer Materialprobe unter hohen Drücken.

Foto: Christian Wißler; zur Veröffentlichung frei.

Von diesen Eigenschaften hängt es ab, wie schnell sich Erdbebenwellen dort ausbreiten. Über die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Erdmantel gibt das PREM Auskunft, das Preliminary Reference Earth Model, das auf umfangreichen internationalen Messungen der Geophysik beruht. Das Modell erlaubt Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung, wenn ausreichende Daten zur Elastizität der Minerale vorliegen. Doch über die Elastizität von Bridgmanit war bisher nur wenig bekannt.

Elastizitätsmessungen in weltweit einzigartigem Labor

Ein Forscherteam am Bayerischen Geoinstitut (BGI) hat jetzt erstmals präzise Messdaten hinsichtlich der Elastizität von eisen- und aluminiumhaltigem Bridgmanit gewinnen können – und zwar unter Druckverhältnissen, wie sie für den unteren Erdmantel charakteristisch sind. Mit diesen und weiteren Daten haben die Bayreuther Wissenschaftler verschiedene Szenarien für dessen chemische Zusammensetzung entwickelt und mit dem PREM abgeglichen.

Das Ergebnis: Bis in eine Tiefe von rund 1.200 Kilometern enthält der untere Erdmantel hauptsächlich eisen- und aluminiumhaltiges Bridgmanit (75 Prozent), hinzu kommen Ferroperiklas (18 Prozent) und Calciumsilikat-Perowskit (7 Prozent). Die Messdaten zur Elastizität von Bridgmanit wurden mithilfe der lasergestützten Brillouin-Spektroskopie und der Röntgenbeugung gewonnen. Das BGI ist weltweit die einzige Forschungseinrichtung, die beide Methoden im Labor kombiniert und für Materialuntersuchungen unter sehr hohen Drücken einsetzt.

„Unsere Messungen und Modellrechnungen legen nahe, dass der untere Erdmantel die gleichen atomaren Bestandteile wie der obere Erdmantel enthält, der sich unterhalb der Erdkruste in einer Tiefe zwischen 70 und 700 Kilometern erstreckt“, erklärt Dr. Hauke Marquardt, Mitautor der in „Nature“ veröffentlichten Studie. Diese Ähnlichkeit zwischen dem oberen und dem unteren Erdmantel konnten die neuen Forschungsarbeiten zeigen, weil sie im Unterschied zu früheren Modellen auch den Eisen- und Aluminium-Gehalt des Bridgmanits sowie den Oxidationszustand des Eisens berücksichtigen.

"Unsere Modellrechnungen zeigen, dass Eisen in Bridgmanit oberhalb von 1.200 Kilometern hauptsächlich als Fe³⁺, einer speziellen Oxidationsform, vorkommt. Mit zunehmender Tiefe scheint jedoch der Anteil von Fe²⁺ kontinuierlich zu steigen“, ergänzt der Bayreuther Geowissenschaftler. Der Anteil von Fe²⁺ hat wahrscheinlich einen signifikanten Einfluss auf zahlreiche physikalische und chemische Eigenschaften von Bridgmanit. Wenn der Fe²⁺-Gehalt mit der Tiefe zunimmt, hätte dies weitreichende Konsequenzen für das Verständnis von Prozessen im unteren Erdmantel.

Zur Forschungsgeschichte

Bridgmanit ist ein Mineral aus der Klasse der Perowskit-Silikate. Es ist nach dem US-amerikanischen Physiker Percy Williams Bridgman (1882 – 1961) benannt, der 1946 für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Hochdruck-Physik mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.

Veröffentlichung:

A. Kurnosov, H. Marquardt, D. J. Frost, T. Boffa Ballaran & L. Ziberna,
Evidence for a Fe³⁺-rich pyrolitic lower mantle from (Al,Fe)-bearing bridgmanite elasticity data,
Nature (2017), doi:10.1038/nature21390.

Kontakt:

Dr. Hauke Marquardt
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: +49 (0)921 55-3718
E-Mail: hauke.marquardt@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Der Januskopf des südasiatischen Monsuns
15.06.2018 | Max-Planck-Institut für Chemie

nachricht Was das Eis der West-Antarktis vor 10.000 Jahren gerettet hat, wird ihr heute nicht helfen
14.06.2018 | Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umwandlung von nicht-neuronalen Zellen in Nervenzellen

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Im Fußballfieber: Rittal Cup verspricht Spannung und Spaß

18.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics