Extremer Druck und glühende Hitze

8. April 2017, 21:58

"Wenn wir verstehen wollen, wie die Erde sich von anderen Planeten unseres Sonnensystems unterscheidet, müssen wir ihren strukturellen und geochemischen Aufbau kennen", erklärt der Geologe Dan Frost vom Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth im Rahmen der Tagung "Experimentelle Mineralogie, Petrologie und Geochemie" vergangene Woche in Innsbruck.

Die Schale ankratzen
Ein großer Teil der Forschungsarbeiten über den inneren Aufbau der Erde muss aber indirekt erfolgen: Gesteinsproben können nur aus den obersten Schichten der Erde genommen werden. Die tiefste Bohrung, die es derzeit gibt, reicht bis zwölf Kilometer ins Erdinnere. "Bedenkt man, dass die Erde einen Radius von knapp 6.400 Kilometer hat, ist das so, als würde man die Schale eines Apfels ankratzen und daraus auf das Kerngehäuse des Apfels schließen" sagt die Mineralogin und Kristallographin Clivia Hejny, die an der Universität Innsbruck die Veränderung von Mineralen unter extrem hohem Druck untersucht.

Massive Bewegungen in großer Tiefe

"Wenn man einen Kristall unter Druck setzt, rücken die Atome näher aneinander, und es kann auch sein, dass sie sich völlig neu arrangieren", erklärt Hejny. So eine Phasenumwandlung führt dazu, dass sich die Eigenschaften des Minerals stark verändern und dass sich das Volumen sprunghaft reduziert.

Die Folge können so genannte Tiefbeben sein, also Erdbeben in Tiefen von mehreren hundert Kilometern - "denn wenn ein Gesteinspaket von mehreren Kubikkilometern plötzlich sein Volumen reduziert, dann rutscht Material nach und das sorgt für eine starke Erschütterung" schildert Clivia Hejny.

Tomographie der Erde

Um herauszufinden, wo im Erdinneren der Druck so hoch ist, dass Gestein sich umwandelt und in einen Zustand höherer Dichte übergeht, wertet die experimentelle Mineralogie die Aufzeichnungen von Seismographen aus.

"Es gibt ja ständig Erdbeben. Und es gibt eine riesige, breit gestreute Anordnung von Seismographen überall an der Erdoberfläche. So wie man von einem Menschen ein Röntgenbild oder eine Tomographie anfertigen kann, kann man nun ein tomographisches Bild vom Inneren der Erde machen. Wenn eine seismische Welle durch die Erde wandert und von vielen Empfängern aufgezeichnet wird, dann kann man an dieser Kurve ablesen, wo sie sich wie schnell bewegt, und dadurch Rückschlüsse auf die Dichte der Gesteine im Erdinneren ziehen" erklärt Dan Frost von der Universität Bayreuth.

Wenn die Wellen in einer bestimmten Tiefe stark abgelenkt werden, ist das ein Hinweis darauf, dass hier die Dichte des Gesteins höher ist, dass also das betreffende Gestein in genau dieser Tiefe so eine Phasenumwandlung durchgemacht hat.

Laufende Erneuerung

Die Erde ist ein höchst lebendiger Planet. Heißes Material aus dem Erdmantel steigt auf und drückt etwa an den mittelozeanischen Rücken die Platten der Erdkruste auseinander, erklärt der Geologe Peter Ulmer von der ETH Zürich: "Dieses teilgeschmolzene Material, also Magma, bildet neue Erdkruste. Im Pazifik sind das ungefähr 20 Zentimeter pro Jahr, unter der Arktis ist der Prozess deutlich langsamer, dort entsteht ungefähr ein Zentimeter pro Jahr."

Wenn also laufend neue Erdkruste gebildet wird, muss an anderen Stellen der Erde Material verschwinden. Das passiert in den so genannten Verschluckungszonen oder Subduktionszonen. Dort sinken Erdkrustenplatten in den Erdmantel hinein, und zwar mit ähnlichen Geschwindigkeiten, "denn irgendwo muss das System ja ausbalanciert sein."

Explosives Magma

Nur ein kleiner Teil der Magmen, die im Erdmantel gebildet werden, kommt durch Vulkanausbrüche an die Erdoberfläche. Ein großer Teil bleibt in der Erdkruste stecken und bildet dort so genannte Intrusivgesteine.

Je flüssiger das Magma ist, umso leichter gelangt es nach oben und wird zum Eruptionsgestein, das durch einen Vulkanausbruch die Erdoberfläche erreicht. Dann hängt es wiederum von der Zähigkeit des Materials ab, wie dieser Vulkanausbruch verläuft. Wie schnell etwa die Laven den Vulkankegel herunterfließen, und wie weit sie kommen.

Wenn das Magma sehr zäh ist und gleichzeitig viel Gas und Wasser enthält, sind die Ausbrüche besonders explosiv, erklärt Peter Ulmer von der ETH Zürich, weil Gas und Wasser bewirken, dass die Magmen nicht ausfließen, sondern dass das Magma im Schlot zerrissen wird und mit großer Wucht aus dem Vulkan geschleudert wird.

"Die italienischen Vulkane sind einmalig auf der Welt, denn ihre Magmen sind die CO2-reichsten die wir kennen" sagt der Geologe Max Schmidt von der ETH Zürich, der schwerpunktmäßig Ursache und Wirkung des CO2-Gehalts von Magmen untersucht. Die italienischen Vulkane sind daher auch besonders gefährlich, weil sie um vieles explosiver sind als etwa jene auf Hawaii.