Interfacial-energy-driven ferropericlase rounding leads to bridgmanite-controlled viscosity in the Earth’s lower mantle
Experimentelle Belege, die zeigen, dass die durch Grenzflächenenergie getriebene Abrundung von Periklas-Körnern schneller erfolgt als die durch Mantelströmung induzierte Elongation, deuten darauf hin, dass die Viskosität des unteren Erdmantels durch die stärkere Bridgmanit-Phase kontrolliert wird, was sie um Größenordnungen höher macht, als bisher hypothetisiert wurde.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Tief unter unseren Füßen, weit jenseits der Reichweite eines jeden Bohrers, liegt der untere Erdmantel. Er ist ein riesiger, superheißer Ozean aus Gestein, der über Millionen von Jahren hinweg unglaublich langsam fließt und als der interne Motor unseres Planeten fungiert. Dieses Zeitlupen-Rühren bewegt Wärme vom Kern zur Oberfläche und schleppt tektonische Platten umher, was unsere Kontinente formt und Vulkane antreibt. Um zu verstehen, wie dieser Motor funktioniert, müssen Wissenschaftler wissen, wie „dickflüssig“ oder „klebrig“ dieses Gestein ist – eine Eigenschaft, die man Viskosität nennt. Wenn das Gestein sehr dickflüssig ist, leistet es Widerstand gegen die Bewegung; wenn es dünnflüssig ist, fließt es leicht. Der untere Mantel besteht hauptsächlich aus zwei Mineralien: einem harten, steifen namens Bridgmanit und einem weicheren, schwächeren namens Ferroperiklas. Lange Zeit haben Wissenschaftler darüber debattiert, ob das gesamte System wie das steife Mineral fließt oder ob das weiche Mineral schwache, rutschige Autobahnen schafft, die das Ganze leichter gleiten lassen. Diese Frage ist wichtig, denn die Antwort verändert, wie wir die Geschichte der Erde sehen, wie schnell Wärme entweicht und warum einige tektonische Platten aufhören zu sinken, während andere bis zum Kern stürzen.
Ein Forschungsteam hat diesen Debatte nun einen neuen Blick zugeworfen, indem es untersuchte, wie sich das weiche Mineral verhält, wenn es gedehnt wird. Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Klumpen klebrigen Taffy (das weiche Mineral), der in einem Block aus hartem, steifem Ton (das steife Mineral) gefangen ist. Wenn Sie an dem Ton ziehen, dehnt sich der Taffy zu langen, dünnen Fäden aus. In der Vergangenheit dachten Wissenschaftler, dass diese Fäden sich über die lange Geschichte der Erde so weit dehnen würden, dass sie sich zu einem kontinuierlichen, rutschigen Netzwerk verbinden und das Ganze viel schneller fließen lassen würden. Diese neue Studie deutet jedoch darauf hin, dass die Natur einen eingebauten „Selbstkorrekturmechanismus“ besitzt. Genau wie ein gedehntes Gummiband zurückschnappen will oder ein Wassertropfen zu einer perfekten Kugel werden möchte, um Energie zu sparen, will der gedehnte Taffy sich wieder zu einer runden Kugel zusammenrollen. Die Forscher fanden heraus, dass dieses „Runden“ so schnell geschieht, dass der Taffy gar keine Chance bekommt, jene langen, rutschigen Autobahnen zu bilden. Stattdessen bleibt das Gestein steif und wird vom harten Ton kontrolliert, nicht vom weichen Taffy.
Das Team unter der Leitung von Amrita Chakraborti und Kollegen testete diese Idee, indem es winzige Proben dieser beiden Mineralien in einer Hochdruckmaschine untersuchte, die das erdrückende Gewicht und die sengende Hitze des tiefen Erdinneren nachahmt (27 Gigapascal und Temperaturen von bis zu 2000 Kelvin). Sie drückten die Proben zuerst zusammen, um die weichen Ferroperiklas-Körner in lange, dünne Formen zu dehnen, genau wie es der Fluss der Erde über Millionen von Jahren tun würde. Dann hielten sie die Proben bei hoher Hitze und hohem Druck, um zu sehen, was als Nächstes passiert. Sie beobachteten die Proben ganz genau, um zu sehen, ob die gedehnten Körner lang blieben oder ob sie sich wieder zu runden Formen zusammenrollten.
Die Ergebnisse waren eindeutig: Die gedehnten Körner rundeten sich unglaublich schnell wieder ab. Die Forscher maßen, wie schnell dieser „Rundungsprozess“ im Vergleich zur Geschwindigkeit geschah, mit der die Erde das Material dehnen würde. Sie fanden heraus, dass selbst mit sehr konservativen Schätzungen der Rundungsprozess viel schneller abläuft als der Dehnungsprozess. Bis die Körner sich theoretisch so weit dehnen könnten, dass sie sich verbinden und eine schwache Schicht bilden, hatten sie sich bereits wieder zu nahezu perfekten Kugeln zusammengerollt. Tatsächlich mussten sich die Körner nur ein winziges Stück dehnen – etwa 1 % länger als sie breit waren –, bevor die Rundungskraft übernahm und sie am weiteren Dehnen hinderte.
Dieser Befund deutet darauf hin, dass das Modell der „interconnected weak layer“ (verbundenen schwachen Schicht), welches vorhersagt, dass der untere Mantel viel schwächer ist und schneller fließt, wahrscheinlich falsch ist. Stattdessen stützt die Studie das Modell des „load-bearing framework“ (lasttragenden Gerüsts), bei dem der steife Bridgmanit die Struktur zusammenhält und den Fluss kontrolliert. Die Autoren legen nahe, dass, da die weichen Körner nicht gedehnt bleiben können, die effektive Viskosität (Klebrigkeit) des unteren Mantels wahrscheinlich viel höher ist als bisher angenommen, nämlich näher an der des steifen Bridgmanits. Dies impliziert, dass die Umgebung des unteren Erdmantels ein viel trägeres, widerstandsfähigeres Milieu ist, als frühere Theorien vorschlugen. Während die Forscher anmerken, dass sie noch bestätigen müssen, wie der Druck die Rundung auf noch tieferen Ebenen beeinflusst, liefern ihre Experimente starke Beweise dafür, dass die Oberflächenenergie wie eine kraftvolle Bremse wirkt, die verhindert, dass die weichen Mineralien die rutschigen Abkürzungen schaffen, die den internen Motor der Erde beschleunigen würden.
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