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3. Forschungsprojekte

Es wird an dieser Stelle nur über die wichtigen, derzeit laufenden Projekte berichtet. Informationen über abgeschlossene Teilprojekte sind in den Abschnitten 4.1 und 4.2 in Form von Literaturzitaten angegeben. Die Beiträge des Kapitels 3 sollen nicht zitiert werden.

3.1 Phasenumwandlungen, Deformation und Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels

Der Erdmantel weist als Folge von Hochdruck-Phasenübergängen zwischen den silikatischen und oxidischen Hauptmineralen einen lagigen Aufbau auf. So wandelt sich zum Beispiel (Mg,Fe)2SiO4-Olivin, das am weitesten verbreitete Mineral des oberen Mantels, in dichtere Modifikationen um: in 410 km Tiefe zu Wadsleyit und in 520 km Tiefe zu Ringwoodit. In 660 km Tiefe zerfällt dann Ringwoodit in (Mg,Fe)SiO3-Perowskit + (Mg,Fe)O-Magnesiowüstit. In ähnlicher Weise treten mit zunehmender Tiefe Umwandlungen auch in anderen Mineralen des Erdmantels auf, wie z. B. bei Pyroxen und Granat. Jedoch sind die Mengenverhältnisse der Minerale und ihre chemische Zusammensetzung als Funktion der Tiefe immer noch ungewiß.

Zu ersten Informationen über die chemische Zusammensetzung, die Mineralogie und die Temperatur des Erdinneren tragen geophysikalische Abschätzungen der Dichte, der elastischen Eigenschaften und elektrischen Leitfähigkeiten als Funktion der Tiefe bei. Um den Erdmantel aufgrund dieser Abschätzungen mineralogisch und geochemisch modellieren zu können, müssen die elastischen und elektrischen Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und chemischer Zusammensetzung im Labor bestimmt werden. Die Ergebnisse derartiger Meßversuche sind Thema der ersten drei Beiträge des Kapitels 3.1.

Eine großmaßstäbliche Festkörper-Konvektion im Erdmantel stellt die Antriebskraft für das Driften der Lithosphärenplatten und für weitere Phänomene in der Nähe der Erdoberfläche (Erdbeben, Vulkanismus) dar. Obwohl die Rheologie zu den wichtigsten physikalischen Einflußfaktoren der Mantelkonvektion gehört, ist für die meisten der Erdmantel-Minerale nur wenig über ihre rheologischen Eigenschaften und ihre Druckabhängigkeit bekannt. Daher wurden am Bayerischen Geoinstitut in den letzten Jahren neuartige experimentelle Techniken mit der Zielsetzung entwickelt, die Rheologie der Erdmaterie unter den relevanten Drücken und Temperaturen des Mantels zu untersuchen. Die Ergebnisse verschiedener Projekte werden in diesem Kapitel vorgestellt. Desweiteren wurden die Deformationsmechanismen, die letztendlich das rheologische Verhalten steuern, in einer Reihe wichtiger Mantelminerale mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie untersucht.

3.2 Experimentelle Geochemie

Geochemische Untersuchungen der Erdmaterie tragen zum Verständnis von Prozessen bei, die vom Erdkern bis hinauf zur Kruste und von der frühen Zeit der Erdentstehung bis zum heutigen Tage ablaufen. Über die Entstehung des Erdkerns in der Frühgeschichte des Planeten ist weiterhin nur wenig bekannt. Wir wissen zwar, daß der Kern überwiegend aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit einem Anteil an leichten Elementen besteht, jedoch ist die Identität der (des) leichten Elemente(s) bisher ungeklärt. Da der Einbau leichter Elemente wie Silizium und Sauerstoff in die Metallschmelze möglicherweise gleichzeitig mit dem Wachsen des Kerns stattfand, müssen diese Elemente einerseits bei relativ geringem Druck als auch bei Drücken und Temperaturen des heutigen Erdkerns löslich sein. Die experimentelle Bestimmung der Verteilung von hoch-siderophilen Elementen in Silikat- und Metallschmelzen kann Hinweise liefern, ob die Bildung des Erdkerns bereits einsetzte, bevor die Erde ihre heutige Masse erreichte. Unterschiede zwischen den in der Erde beobachteten Verteilungskoeffizienten und den experimentellen Daten weisen darauf hin, daß die Erdkernbildung stattfand, bevor zum Schluß der Aktivitäten eine chondritische Lage ("veneer") hinzukam.

Punktdefekte in Mineralen, einschließlich Spurenelementen und Wasser, kontrollieren zahlreiche physikalische, chemische und mechanische Prozesse im Erdinneren. In Labormessungen zur näheren Charakterisierung der Eigenschaften des tieferen Erdmantels untersuchen wir daher die Effekte von Verunreinigungen im Kristallbau auf die Defektstruktur. So wird z.B. die Defektstruktur von Silikat-Perowskit stark durch die Anwesenheit geringer Mengen Aluminium oder dreiwertigem Eisen verändert. In ähnlicher Weise wird das Verhalten von Olivin signifikant durch seine Defektstruktur beeinflußt. Geringe Gehalte an gelöstem Nickel engen das Stabilitätsfeld dieses Minerals unter reduzierenden Bedingungen dramatisch ein.

Das Erdinnere stellt ein bedeutendes Wasserreservoir dar. Im oberen Mantel ist ein großer Anteil dieses Wassers in wasserhaltigen Mineralen im Inneren subduzierter Platten enthalten. Die Bestimmung der Stabilität dieser wasserhaltigen Minerale ist wichtig, da bei der prograden Umwandlung der Minerale Wasser freigesetzt wird, das großen Einfluß auf die Eigenschaften der benachbarten Mantelgesteine besitzt. Magmen, die sich aus der Teilaufschmelzung von Gesteinen mit wasserhaltigen Mineralen des oberen Mantels bilden, können eine bedeutende Quelle für ultramafische Schmelzen sein. Andererseits können durch den Mantel strömende Schmelzen mit Mineralen wie Orthopyroxen reagieren, und durch Ungleichgewichte SiO2-reichere Schmelzzusammensetzungen bilden. Schmelzen können auch Teile des oberen Mantels als Xenolithe einschließen, deren Zusammensetzung uns Informationen über Mantel-Metasomatose liefern.

3.3 Chemie und Struktur von Kristallen

Die physikalischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften eines Festkörpers werden durch die Anordnung seiner Atome bestimmt. In ähnlicher Weise werden druck- und temperaturabhängige Phasenübergänge in Mineralen von den Eigenschaften und Änderungen der lokalen Mineralstruktur bestimmt. Um also den Aufbau des Erdinneren und Prozesse in der Erde zu verstehen, müssen wir die Strukturen einzelner Minerale im atomaren Maßstab genau kennen. Kenntnisse über Kristallstrukturen können aus einer Vielzahl von Experimenten an Mineralen in unterschiedlichen Auflösungsmaßstäben abgeleitet werden. Röntgenbeugungsmethoden an (Kristall-)Pulver und Einkristallen sowie Pulver-Neutronenbeugung liefern Auskünfte über die gemittelte Struktur eines Minerals in einem Größenbereich von mehreren Hundert Ångstrom (1Å = 10-10 m). Wie am Beispiel des CaAl4Si2O11 beschrieben, liefert die Bestimmung der gemittelten Struktur nur einen Teil der Wahrheit und weist bereits auf lokale Fehlordnungen hin. Mit verschiedenen Untersuchungsmethoden läßt sich die Umgebung einer einzelnen Atomart mit einer hohen Ortsauflösung (von 1 bis 10Å) charakterisieren. So liefert die optische Absorptions-spektroskopie wesentliche Informationen über die kristallinterne elektronische Struktur von Atomen aus der Reihe der Übergangsmetalle. Dadurch wird wiederum eine genaue Bestimmung der Verzerrung in der Koordination des Metallatoms ermöglicht. Durch die in den vergangenen Jahren am Geoinstitut durchgeführten Arbeiten an Übergangsmetall-Silikaten wurde erkannt, daß die Beeinflussung der elektronischen Struktur durch Kristallfeld-Effekte für die Bestimmung des Mineralverhaltens unter hohen Drücken wesentlich ist. Insbesondere zeigen die im Folgenden diskutierten Beispiele von Klinopyroxenen und Gillespiten den dominierenden Einfluß von Kristallfeld-Effekten auf das Phasenübergangs-verhalten von Silikaten. Die Mössbauer-Spektroskopie stellt eine weitere Bestimmungs-methode der lokalen Struktur dar, speziell für Eisen als das bedeutendste Übergangsmetall in den meisten Mineralen. Die hier angeführten Beispiele für Mössbauer-Studien befassen sich mit Mineralen, die einerseits wie Klinopyroxen Bestandteil der Erdkruste sind und andererseits wie Granat und Perowskit den Erdmantel aufbauen. Für etwas großmaßstäb-lichere Untersuchungsbereiche stehen Elektronenbeugungsanalysen und hochauflösende abbildende Verfahren der Elektronenmikroskopie zur Verfügung. Am Beispiel der Untersuchungen von CaTiO3-CaFeO2.5 mit Perowskit-Struktur wird erläutert, daß eine vollständige Bestimmung komplexer Prozesse, die in einem Material auftreten, häufig nur durch die Kombination der Ergebnisse aller strukturellen Bestimmungsmethoden in den unterschiedlichen Auflösungsmaßstäben erfolgen kann.

3.4 Metamorphose in unterschiedlichen Zeitskalen

In jedem dynamischen System entscheidet der Zeitfaktor darüber, in welchem Maß die verschiedenen Prozesse auf die Evolution des Systems Einfluß nehmen. In der Natur reichen die Zeitskalen vom Millisekunden- bis Sekundenbereich im Fall von Impakt-Ereignissen und Erdbeben über Jahrmillionen bis hin zu Jahrmilliarden im Fall der Entwicklung des Teilsystems Kern-Mantel. Für den Experimentator stellen beide Extrema eine Herausforderung dar, weil Extrapolationen notwendig werden und die meisten der betrachteten Parameter keine Zustandsvariablen darstellen. Ein genauerer Blick auf Mutter Natur kann jedoch helfen: Informationen über Zeiträume und über die Mechanismen der abgelaufenen Prozesse werden in texturellen und chemischen Ungleichgewichten konserviert. Durch das "Nachlesen" in diesem Archiv sind wir in der Lage, Vergleiche mit kinetischen Daten aus Experimenten zu ziehen und dynamische Prozesse vergangener Ereignisse zu rekonstruieren.

Wir konzentrieren uns im Folgenden auf zwei Prozesse von sehr unterschiedlicher Zeitdauer: Impakt-Phänomene und Regionalmetamorphose. Vor ungefähr 20 Jahren wurde erkannt, daß Faunen- und Florenschnitte durch Kollisionen der Erde mit Asteroiden oder Kometen ausgelöst werden können. Dabei wird die Zusammensetzung der Atmosphäre verändert und somit ein abrupter Klimawechsel verursacht. Ein materialwissenschaftlich ausgerichteter Geowissenschaftler strebt für ein quantitatives Verständnis von Impaktphänomenen die Klärung der folgenden Fragen an: Welche Aufschlag-Energie ist nötig, um derartige Veränderungen zu erzielen? Welche Stoffe im Aufschlagbereich tragen zu diesen Effekten bei, welche TemperaturDruck-Verhältnisse wurden in welchem Zeitraum erreicht, und welche Prozesse waren im Detail beteiligt?

Näher am anderen Extrem der Zeitskala haben wir die Regionalmetamorphose einzuordnen. Auch hier stellen wir Übergangszustände in den Druck- und Temperaturbedingungen fest. Im Fall der Regionalmetamorphose werden diese Veränderungen durch plattentektonische Vorgänge gesteuert. Die Untersuchungen des an metamorphen Gesteinen arbeitenden Petrologen konzentrieren sich darauf, die Dauer, den Grad, die lokale Ausdehnung und den Zeitrahmen plattentektonischer Prozesse durch eine Interpretation von Mineralvergesell-schaftungen, Mineralzusammensetzungen und Mikrogefügen zu bestimmen. Da sich im Verlauf der metamorphen Geschichte häufig keine Gleichgewichtsbedingungen einstellen, kann (zumindestens theoretisch) mehr als nur ein Punkt auf der Druck-Temperatur-Zeit-Achse bestimmt werden und somit letztendlich der Ablauf einer Orogenese in Raum und Zeit rekonsturiert werden.

3.5 Fluide und ihre Wechselwirkung mit silikatischen Schmelzen und Mineralen

Überraschend wenig ist bekannt über die Speziation und Eigenschaften von Fluiden unter den Drücken und Temperaturen der unteren Erdkruste und des oberen Erdmantels. Dies beruht weitgehend auf der experimentellen Problematik. Konventionelle spektroskopische Zellen für in-situ-Messungen an Fluiden können maximal etwa 500°C und 5 kbar erreichen. Aus diesem Grunde sind bisher auch sehr einfache Fluidsysteme, wie etwa H2O-SiO2 oder H2O-CO2 praktisch ausschließlich unter oberflächennahen Druck- und Temperaturbedingungen untersucht worden. Dagegen ist die Speziation dieser Fluide unter extremeren Bedingungen kaum bekannt. Mit neuartigen, extern beheizten Diamantstempelzellen ist es seit kurzem erstmals möglich, bei der spektroskopischen Untersuchung von Fluiden in Druck- und Temperaturbereiche bis zu 100 kbar (10 GPa) und 1200°C vorzudringen. Ein laufendes Projekt am Bayerischen Geoinstitut zielt auf die Untersuchung der Silikat-Speziation in wässerigen Fluiden der Unterkruste und des oberen Mantels. In-situ-Raman-Spektren zeigen, daß Si(OH)4 über einen weiten Druck- und Temperaturbereich die dominierende Silikat-Spezies ist. In der Nähe des kritischen Punktes im System SiO2-H2O scheinen jedoch auch dimere oder polymere Silikatspezies aufzutreten.

Ein weiterer Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten in 1998 war wiederum die Löslichkeit von Wasser in nominell wasserfreien Mineralen. Diese Minerale könnten ein bedeutendes Wasserreservoir im Erdinneren darstellen. Untersucht wurden die Löslichkeit und die Diffusion von Wasser in Mineralen sowie die Verteilung des Wassers zwischen verschiedenen Hochdruck-Phasen. Diese Studien werden letztlich ein vollständiges Bild über die Speicherkapazität für Wasser und die Kinetik des Wasseraustausches zwischen verschiedenen Reservoiren des Erdmantels liefern. Die Meßmethoden für die Wasser-speziation in silikatischen Schmelzen sind mittlerweile so weit entwickelt, daß Messungen jetzt routinemäßig an unterschiedlichen Schmelzzusammensetzungen durchgeführt werden können. Gegenwärtig wird versucht, den Lösungsmechanismus von Wasser in Schmelzen mit der Zusammensetzung natürlicher Magmen zu verstehen.

Die Entgasung von Magmen setzt große Mengen an Schwefelverbindungen und Halogenen in die Atmosphäre frei. Von diesen Gasen hat Chlor besondere Beachtung gefunden, da es chemische Reaktionen katalysiert, die die Ozonschicht in der Stratosphäre zerstören. Da die schwereren Halogene wie Brom in der Natur sehr viel seltener sind als Chlor, wurden sie bisher in diesem Zusammenhang weitgehend vernachlässigt. Jedoch haben neuere Untersuchungen ergeben, daß die katalytische Aktivität von Brom in der Stratosphäre um mehrere Größenordnungen höher ist als die von Chlor. Daher könnte die Freisetzung von Brom bei vulkanischen Eruptionen sehr wohl einen bedeutenden Einfluß auf den Chemismus der Stratosphäre haben. Aus diesem Grunde haben wir 1998 erste experimentelle Untersuchungen über das Entgasungsverhalten der schweren Halogenide Brom und Jod durchgeführt.

3.6 Physikalische und chemische Eigenschaften von Schmelzen

Unser Verständnis der Entstehung und des Aufstiegs von Magmen bis hin zur Bildung und den Eigenschaften des Erdkerns hängt von unserem Verstehen von geschmolzenen Systemen generell ab. In den unter diesem Kapitel beschriebenen Projekten werden zahlreiche Lösungsansätze vorgestellt. Ihr verbindendes Element ist die Verknüpfung von Struktur und Eigenschaften von Schmelzen, mit dem Ziel, Randbedingungen für Modelle der Beschreibung von Zuständen und Prozessen unter Beteiligung von Schmelzen zu schaffen. Bei der Untersuchung von Gläsern wird von theoretischen Ansätzen ausgegangen. Schwingungseigenschaften werden aus Raman-Spektren berechnet und mit den Effekten von brücken- bzw. nicht-brückenbildendem Sauerstoff verglichen. Aus Experimenten bei 1 atm Druck lassen sich Schmelzeigenschaften wie die Viskosität und die Elementverteilung als Funktion der Schmelzzusammensetzung bestimmen. Anhand volumetrischer Bestimmungen wird eine alternative Methode zur Abschätzung des Druckeinflusses auf die Schmelzeigenschaften vorgestellt. Fortgeführt werden auch die Forschungsarbeiten über Wasser in Schmelzen, und die Formulierung allgemeingültiger Modelle rückt in greifbare Nähe. Weiterhin ist es gelungen, die Bedingungen für in-situ-Bestimmungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Schmelzen mit neuen Hochdruck-/ Hochtemperatur-Untersuchungen zu erweitern.

3.7 Magmendynamik und vulkanische Prozesse

Die große Spannbreite der chemischen Zusammensetzungen und physikalischen Zustände von Eruptionsprodukten aus magmatischen Systemen zeigt deutlich das komplexe Zusammenspiel der beteiligten Prozesse auf. Ein Verständnis der Vorgänge in vulkanischen Systemen kann verläßlich nur erreicht werden, wenn alle Untersuchungsmethoden miteinander kombiniert werden: die Vulkanüberwachung und die Untersuchung der vulkanischen Produkte im Gelände, die experimentelle Charakterisierung der Magmen im Labor, die numerische Simulation möglicher Konsequenzen. Die Rolle der experimentellen und laborgestützen Beiträge ist in den letzten Jahren durch konzeptionelle und technische Fortschritte bedeutender geworden. Prozesse wie Kristallisation, Entgasung, Blasennukleation, Schaumbildung, Fragmentierung, die über einen weit gespannten Zeitraum, Temperatur- und Druckbereiche auftreten, erfordern innovative Experimente, um ein realistisches Bild über die Physik von Eruptionen zu erhalten. Dennoch müssen die zu untersuchenden Systeme auf eine ausreichend kleine Anzahl von Parametern reduziert werden, um praktikable Grenzen für die Modellierung zu erhalten und um die Ergebnisse auf Fragestellungen eruptiver Systeme übertragen zu können.

Die neuen experimentellen Ansätze zur Lösung dieser Fragen der neuen experimentellen Vulkanologie werden von den Beiträgen aus Bayreuth getragen. Hier sind besonders wichtig a) die Entwicklung experimenteller Techniken für Echt-Zeit-Untersuchungen unter Einsatz von vulkanischer Materie (Magmenproben) und b) die Durchführung vertikal integrierter Experimente, in denen die raumzeitliche Abfolge der Prozesse in einem komplexen Versuch simuliert wird.

Das Kapitel 3.7 zeigt auf, wie die Lücke zwischen Experimenten und tatsächlichen eruptiven Prozessen weiter geschlossen werden kann, und der Beitrag der experimentellen Vulkanologie wird zunehmend von den beteiligten Fachdisziplinen anerkannt. Vorgestellt wird vor allem die Kombination von Schaumbildungs- und Fragmentierungsprozessen in entgasenden rhyolithischen Magmen, Weiterentwicklungen in der Geospeedometrie bei der Platznahme vulkanischer Körper, sowie die Bruch- und Texturanalyse vulkanischer Produkte.

3.8 Methodische Entwicklungen

Die Neuentwicklung experimenteller und analytischer Methoden ist unerläßlich, um in der geowissenschaftlichen Hochdruck- und Hochtemperaturforschung Fortschritte zu erreichen.

Zu den Forschungszielen des Bayerischen Geoinstituts gehören: 1) die Ausweitung der Druck- und Temperaturgrenzen sowie eine Vergrößerung des Probenvolumens für die bestehende experimentelle Technik, 2) die Entwicklung neuer Methoden für die in-situ-Bestimmung physikalischer Eigenschaften der Erdmaterie wie Ultraschall-Geschwindig-keiten, Dichte und Viskosität bei hohen Drücken und Temperaturen, 3) die Erhöhung der Meßgenauigkeit und präzisere Überwachung von Hochdruck-Experimenten und 4) die Einführung von spektroskopischen Methoden in die Multianvil-Technik zur Bestimmung des Aufbaus und der Zusammensetzung der Erdmaterie. Unsere neuesten Beiträge werden im Kap. 3.8 zusammengefaßt.

Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth, 95440 Bayreuth, Deutschland
Tel: +49-(0) 921 55 3700 / 3766, Fax: +49-(0) 921 55 3769, E-mail: bayerisches.geoinstitut(at)uni-bayreuth.de