Wie es den Karbonaten im Erdinneren ergeht

Mit diesen Fragen befasst sich jetzt eine Forschergruppe von Wissenschaftlern aus Frankfurt, Bayreuth, Berlin/Potsdam, Freiberg und Hamburg, die von der DFG gefördert wird. Die Forschergruppe bringt Experten verschiedener geowissenschaftlicher Disziplinen sowie hochmoderne Technik zusammen.

Die Erde hat einen Radius von durchschnittlich rund 6400 Kilometern. Die tiefste Bohrung, zu der der Mensch bisher in der Lage war, ging jedoch nur bis in zwölf Kilometer Tiefe. Und selbst bei enormem technischem Fortschritt sei es undenkbar, die tiefen Schichten jemals empirisch erforschen zu können, sagt Björn Winkler, Professor für Kristallographie an der Goethe Universität Frankfurt und Koordinator der neuen Forschergruppe.

„Wie es da drinnen aussieht, das können wir nur durch die Kombination von Experimenten und Modellrechnungen herausfinden“, erklärt er. Während es über Silikate, die ein wesentlicher Bestandteil des Erdmantels sind, schon genauere Erkenntnisse gibt, sind Karbonate bislang noch wenig erforscht. „Der Erdaufbau ist ohne Karbonate erklärbar – die Frage ist allerdings: wie gut?“, sagt Winkler.

„Strukturen, Eigenschaften und Reaktionen von Karbonaten bei hohen Temperaturen und Drücken“ („Structures, Properties and Reactions of Carbonates at High Temperatures and Pressures“) lautet der Titel des Projekts, das die DFG von Mitte Februar an fördert. „Wir wollen verstehen, wie die Erde funktioniert“, umschreibt Winkler das übergeordnete Forschungsinteresse der rund 30 Wissenschaftler und ihrer Teams. Welche Möglichkeiten unser Planet hat, Kohlenstoff zu lagern, wie viel Kohlenstoff es überhaupt auf der Erde gibt – der gesamte Kohlenstoffkreislauf sei nach wie vor ein Geheimnis.

Im Fokus der Forschergruppe, die sieben Einzelprojekte verbindet, steht der Erdmantel, die 2850 Kilometer mächtige mittlere Schale im inneren Aufbau der Erde. Ziel ist das bessere Verständnis von Phasenbeziehung, Kristallchemie und physikalischen Eigenschaften der Karbonate. Dazu sollen die Bedingungen der Mantelübergangszone sowie des darunterliegenden unteren Erdmantels – also sehr hohe Temperaturen und ein sehr hoher Druck – simuliert werden. Jedes der sieben Projekte nimmt einen anderen Aspekt unter die Lupe, zum Beispiel das Karbonat Calcit oder die Kombination von Karbonaten mit Eisen, mit Silikaten oder unter Schock.

Winkler und sein Team befassen sich schon seit sechs Jahren mit der Thematik. Sein Mitarbeiter Dr. Lkhamsuren Bayarjargal wurde für die Arbeit mit Hochleistungslasern bereits mit dem Max-von-Laue-Preis der Deutschen Gesellschaft für Kristallographie ausgezeichnet sowie vom Fokus-Programm der Goethe-Universität gefördert. Und auch die überregionale Zusammenarbeit der Forscher ist nicht ganz neu. Mit Hilfe der DFG-Mittel können jetzt jedoch spezielle Apparaturen konstruiert werden, um die Bedingungen im Erdmantel zu simulieren. So genannte Diamantstempelzellen erlauben Drücke, die eine Million mal so stark sind wie der Atmosphärendruck; Hochleistungslaser sind in der Lage, Temperaturen von bis zu 5000 Grad Celsius zu erzeugen. Dass dies die Bedingungen sind, die im Erdmantel herrschen, wurde durch entsprechende Berechnungen belegt.

Winzigste Mengen eines Karbonats genügen schon für ein Experiment. Die Substanz wird im Experiment den entsprechenden Bedingungen ausgesetzt und gleichzeitig von den Wissenschaftlern auf Veränderungen hin untersucht. Hierbei wird mit unterschiedlichen Techniken gearbeitet – in Frankfurt z.B. mit Raman-Spektroskopie, in Potsdam mit Infrarot-Spektroskopie. „Wenn wir auf unterschiedlichen Wegen zum selben Ergebnis kommen, wissen wir, dass wir richtig liegen“, so Prof. Winkler.

Information: Prof. Dr. Björn Winkler, Facheinheit Mineralogie, Institut für Geowissenschaften, Campus Riedberg, Tel: (069) 798-40107, b.winkler@ kristall.uni-frankfurt.de.