Laborexperimente enthüllen: Verbleib von subduzierten ozeanischen Krusten

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Professor Tetsuo Irifune vom Geodynamics Research Center (GRC) der  Ehime University leitet eine Forschungsgruppe, die das Erdinnere durch Experimente bei extremen Drücken und Temperaturen untersucht und dabei die in den tiefsten Regionen unseres Planeten erwarteten Ergebnisse simuliert. Mit einer Kombination aus Ultraschalltechnik und einer großen Pressvorrichtung gelang es den GRC-Forschern, die Schallgeschwindigkeiten von CaSiO3-Perowskit (CaPv) zu messen, einem wichtigen Mineral des Mantels in Tiefen unter 560 km. Diese Ergebnisse erlaubten es ihnen, seismische Beobachtungen direkt durch einen Vergleich mit ihren im Labor erhaltenen Geschwindigkeitsprofilen zu interpretieren. Sie leiteten einige Zusammensetzungsmodelle für die Regionen entlang der 660 km tiefen Diskontinuität ab, die die Grenze zwischen dem oberen und unteren Mantel markiert.

CaPv macht 7-10 Vol% des pyrolitischen Mantels und bis zu 30 Vol% des subduzierten basaltischen Gesteins unterhalb von ~560 km Tiefe aus und ist daher ein wichtiger Bestandteil sowohl im Übergangsbereich des Mantels (MTR; 410-660 km in Tiefe) als auch im unteren Mantel (660-2900 km in Tiefe). CaPv spielt außerdem eine wichtige Rolle bei der Fixierung schwerer Elemente wie Seltene Erden oder Actinide im Mantel. Aber trotz dieser Bedeutung wurden keine Messungen der Schallgeschwindigkeiten CaPv bei hohen Temperaturen durchgeführt, da diese Phase bei Umgebungsbedingungen instabil ist und es daher keine ausreichende Probe für solche Messungen gab.

“Da CaPv nur bei Druck- und Temperaturbedingungen des Mantels stabil ist, haben wir ein Experiment entwickelt, das es uns ermöglicht, diese Phase mit der entsprechenden Form und Dimension unter hohem Druck zu synthetisieren und anschließend eine akustische Welle direkt in die unter Druck stehende Probe zu senden. Mit diesem neuen Ansatz können wir Hochdruckmineralien untersuchen, die bei atmosphärischen Bedingungen wie CaPv instabil sind”, sagt Steeve Gréaux, der Leiter dieses Projekts.

Schematische Darstellung der Hochdruckzelle, die in den vorliegenden Ultraschallexperimenten verwendet wurde. (Quelle: s. Veröffentlichung)

Professor Irifune und sein Team haben bereits 2008 gezeigt, dass Pyrolith, eine hypothetische Gesteinskomposition, die aus einer Mischung aus Basalt und Peridotit besteht, gut mit geophysikalischen Beobachtungen in Tiefen bis zu 560 km übereinstimmt, was auch in der Nature berichtet wurde. Zu diesem Zeitpunkt konnten sie jedoch keine weiteren Schlussfolgerungen für Tiefen unter 560 km ziehen, da es keine verfügbaren Daten über CaPv gab. Ihre Ergebnisse von 2019 wurden zum letzten Teil eines Puzzles und erlaubten es ihnen, ihre Hypothesen über die seismische Struktur des Mantels zwischen 560 km und 800 km Tiefe zu vervollständigen.

“Wir haben festgestellt, dass die kubische Form von CaPv, die höchstwahrscheinlich im Mantel vorhanden ist, niedrigere Geschwindigkeiten aufweist als das, was früher in theoretischen Studien vorhergesagt wurde. Dieses Ergebnis widerlegt frühere Modelle, dass die vorgeschlagene Bildung von CaPv in Pyrolith den steilen Geschwindigkeitsgradienten über einer Tiefe von 660 km erklären könnte. Andererseits stimmt es mit einer früheren Studie überein, die auf der Grundlage von Dichtemessungen das Vorhandensein von Basalten unter 660 km Tiefe vorschlägt”, sagt Tetsuo Irifune.

Druck- und Temperaturbedingungen von Schallgeschwindigkeits- und Dichtemessungen im Stabilitätsfeld von CaPv. (Quelle: s. Veröffentlichung)

Diese neuen Ergebnisse zeigen in der Tat, dass das Vorhandensein subduzierter ozeanischer Kruste das Ausmaß der Reduktion der Schergeschwindigkeit unter eine Tiefe von 660 km erklären kann, wie es beispielsweise unter Nordamerika beobachtet wurde. Übrigens ist das von ihnen vorgeschlagene Modell sehr konsistent mit der jüngsten Entdeckung von CaPv in einem natürlichen Diamanten im Jahr 2018, die den Nachweis für das Vorhandensein von ozeanischem Krustenmaterial im obersten unteren Mantel liefert. Es ist auch kompatibel mit geodynamischen Berechnungen im globalen Maßstab, die voraussagten, dass eine Basaltanreicherung unter 660 km die subduzierte Platte in dieser Region stabilisieren würde.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass “CaPv, das im unteren Mantel einst als “unsichtbar” bezeichnet wurde, da in dieser Phase Geschwindigkeiten vorhergesagt wurden, die denen des am häufigsten vorkommenden Minerals (MgSiO3 Perowskit oder Bridgmanit) ähnlich sind, tatsächlich Geschwindigkeiten aufweist, die wesentlich niedriger sind als die von Bridgmanit in einer Tiefe von 660-800 km. Dies sollte wesentlich dazu beitragen, die Existenz und das Recycling der ehemaligen ozeanischen Kruste im unteren Erdmantel zu ermitteln”.


Veröffentlichung: Steeve Gréaux, Tetsuo Irifune, Yuji Higo, Yoshinori Tange, Takeshi Arimoto, Zhaodong Liu, Akihiro Yamada. Sound velocity of CaSiO3 perovskite suggests the presence of basaltic crust in the Earth’s lower mantleNature, 2019; 565 (7738): 218 DOI: 10.1038/s41586-018-0816-5

Quelle: off. Pm der  Ehime University

Titelbildunterschrift: Ein schematisches Bild der subduzierten ozeanischen Kruste wurde aus dieser Studie abgeleitet. Basalt- und Harzburgitschichten der ozeanischen Kruste sammeln sich unterhalb und oberhalb der 660 km Diskontinuität an.
(Quelle: Ehime University)


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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