Der Neue Wiesentbote

Seit fast 50 Jahren vertreten Mineralogen und Geophysiker die Meinung, dass bereits geringe Anteile von Wasser im Erdmantel erhebliche Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften von Mineralen und Gesteinen haben. Ein höherer Anteil an gelöstem Wasser setze die Festigkeit der Gesteine im oberen Erdmantel stark herab; dadurch würden plattentektonische Vorgänge bis hin zum Driften der Kontinente auf der Erdoberfläche möglich. Eine neue Studie unter Federführung des Bayerischen Geoinstituts, eines Forschungszentrums der Universität Bayreuth (BGI), stellt diese Sichtweise jedoch infrage. Im Forschungsmagazin „Nature“ berichten die Wissenschaftler über ihre Ergebnisse.

Den Hauptbestandteil des oberen Erdmantels, der direkt unterhalb der Erdkruste in einer Tiefe von rund 40 km beginnt und bis etwa 410 km reicht, bilden Olivine. Es handelt sich dabei um Minerale, die der Mineralklasse der Silikate angehören. Sie verdanken ihren Namen, der sich von dem lateinischen Wort „oliva“ (Olive) herleitet, ihrer zumeist oliv- bis flaschengrünen Farbe. Wie stabil diese Minerale bei hohen Temperaturen bleiben, hängt insbesondere davon ab, wie beweglich die in ihnen enthaltenen Silizium-Atome sind. Chemisch gesprochen, ist es die Silizium-Diffusion, die bei hohen Temperaturen den größten Einfluss auf die Stabilität von Olivinen hat. Sie wird durch den Diffusionskoeffizienten mathematisch beschrieben.

Im Rahmen seiner Dissertation am Bayerischen Geoinstitut (BGI) hat Hongzhan Fei den Diffusionskoeffizienten von Silizium in Olivinen bestimmt, und zwar in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Olivine. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Silizium-Atome in den Olivinen mit steigendem Wassergehalt zwar beweglicher werden, die Silizium-Diffusion also ansteigt. Doch dieser Anstieg fällt sehr gering aus – viel geringer als erwartet. Hongzhan Fei und die weiteren Autoren der in „Nature“ veröffentlichten Studie kommen deshalb zu dem Schluss, dass der Einfluss des Wassers auf Prozesse im oberen Erdmantel bisher überschätzt wurde. Wie es aussieht, hat das Wasser insbesondere für die Plattentektonik nicht die zentrale Bedeutung, die ihm in der geowissenschaftlichen Forschung bisher zugeschrieben wurde.

Bei den differenzierten Untersuchungen zur Stabilität der Olivine kamen die modernen Forschungstechnologien im Bayerischen Geoinstitut zum Einsatz, die Experimente bei sehr hohen Drücken und Temperaturen ermöglichen. Hongzhan Fei hat dabei eng mit Prof. Dr. Tomoo Katsura zusammengearbeitet, der seit 2010 die Professur für Struktur und Dynamik der Erdmaterie an der Universität Bayreuth innehat. Externe Forschungspartner bei der jetzt in „Nature“ veröffentlichten Studie waren das Helmholtz-Zentrum Potsdam (Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ) sowie das Institute for Study of the Earth’s Interior an der Okayama University in Japan.

Zur Person:

Hongzhan Fei hat 2008 an der Zhejiang University in China ein Bachelor-Studium der Geologie abgeschlossen. Anschließend hat er am Institute for Study of the Earth’s Interior an der Okayama University in Japan mit den Forschungsarbeiten für eine Dissertation begonnen. Seit 2010 setzt er sein Projekt am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth fort.

Veröffentlichung:

Hongzhan Fei, Michael Wiedenbeck, Daisuke Yamazaki and Tomoo Katsura,
Small effect of water on upper-mantle rheology based on silicon self-diffusion coefficients,
in: Nature, 498, 213–215, (13 June 2013)
DOI:10.1038/nature12193