Viskositätsmessungen bieten neue Einblicke in den Erdmantel
Dr. Longjian Xie bei der Vorbereitung eines Experiments am Elektronensynchrotron SOLEIL in Saint Aubin bei Paris. Foto: privat
Bei den Messungen der Viskosität haben die Wissenschaftler ein von ihnen entwickeltes Heizungselement angewendet, das auf einem Bor-dotierten und daher elektrisch leitfähigen Diamant beruht.
So konnten sie Materialproben in einer Diamantstempelzelle bei Drücken von bis zu 30 Gigapascal und bei Temperaturen von annähernd 3.000 Grad Celsius untersuchen – also unter ähnlichen Bedingungen, wie sie im unteren Mantel der frühen Erde herrschten.
Die Proben wurden dabei so ausgewählt, dass ihre Zusammensetzung den wichtigsten Mineralien im unteren Erdmantel ähnlich ist. Mit einer superschnellen Kamera (1.000 Bilder/Sekunde) wurden die in der Diamantstempelzelle ablaufenden Schmelzprozesse beobachtet und die Viskosität des geschmolzenen Materials gemessen.
Die gewonnenen Daten erwiesen sich besonders aufschlussreich im Hinblick auf den Magmaozean, aus dem sich im Laufe der Erdgeschichte der Erdmantel herausbildete. Die Forscher konnten aufgrund der Viskositätsmessungen zeigen, dass die Kristallisation des Magmaozeans wesentlich von der Höhe des Drucks abhängig war.
So kam es in einer Tiefe von rund 1.000 Kilometern zu einer sogenannten fraktionalen Kristallisation. „Unsere Messdaten stützen die Annahme, dass in dieser Tiefe aufgrund von Kristallisationsprozessen eine Gesteinsschicht entstanden ist, die einen sehr hohen Anteil des Minerals Bridgmanit enthält.
Diese Schicht könnte für die hohe Viskosität verantwortlich sein, die in dieser Tiefe schon bei früheren geophysikalischen Untersuchungen beobachtet wurde“, erklärt Dr. Longjian Xie, Postdoktorand am BGI und Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie.
Die weiteren Mitglieder des internationalen Autorenteams sind in Japan an der Okayama Universität und dem Elektronensynchrotron Spring-8 sowie in Frankreich an der Université Clermont Auvergne und dem Synchrotron SOLEIL in Saint Aubin tätig.
Dr. Longjian Xie
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
Telefon: +49 (0)921 55-3743
E-Mail: Longjian.Xie@uni-bayreuth.de
Longjian Xie et al.: Formation of bridgmanite-enriched layer at the top lower-mantle during magma ocean solidification. Nature Communication 11, 548 (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-14071-8
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