Mit einem neuen experimentellen Ansatz haben Forscher bei DESY simuliert, wie sich eine Erdbebenwelle in einer Probe ausbreitet und dabei die Veränderungen im Material genau beobachtet. In ihrer Untersuchung konnten sie zeigen, wie ein Prozess, der ab einem bestimmten Druck im Mineral Ferroperiklas auftritt, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen beeinflusst. Diese Erkenntnis könnte dabei helfen, die Zusammensetzung des Erdinneren genauer zu kartieren. Das Forscherteam um Hauke Marquardt von der Universität Oxford und dem Bayerischen Geoforschungsinstitut BGI der Universität Bayreuth präsentiert die Ergebnisse im Fachjournal „Geophysical Research Letters“.

Wenn Wissenschaftler mehr über die Vorgänge und Stoffe im Inneren der Erde herausfinden wollen, stoßen sie schnell an technische und physikalische Grenzen. Die tiefsten Bohrungen reichen wenige Kilometer tief – nicht besonders viel, wenn man sich beispielsweise für den unteren Erdmantel interessiert, der erst in einer Tiefe von ungefähr 660 Kilometern beginnt. Die Prozesse in diesem unzugänglichen Bereich der Erde haben jedoch großen Einfluss auf die Erdoberfläche, sie treiben beispielsweise die Plattentektonik an. „Um das Erdinnere genauer zu verstehen, ist es wichtig, die chemische und mineralogische Zusammensetzung genau zu kennen“, erklärt Marquardt, Hauptautor der Studie. „Eine Möglichkeit, mehr über diese Zusammensetzung zu erfahren, besteht in der Beobachtung und Messung der Ausbreitung von seismischen Wellen, die bei Erdbeben entstehen. Denn die Geschwindigkeit dieser Wellen im Erdinneren hängt davon ab, welches Material sie gerade durchlaufen.“

Je genauer die Forscher die Eigenschaften bestimmter Minerale kennen, desto besser können sie aus den Messungen der Erdbebenwellen schließen, welche dieser Stoffe im Erdinneren vorkommen. Die Eigenschaften der Minerale bestimmen sie, indem sie im Labor die Druck- und Temperaturbedingungen im unteren Mantel nachstellen und beobachten, wie sich die verschiedenen Stoffe verhalten. Ein Problem bei solchen Untersuchungen war bisher, dass bei den hohen Druckbedingungen in den Experimenten nur mit sehr kurzen Wellenlängen (hohen Frequenzen) gemessen werden konnte. Da die typischen Wellenlängen von Erdbebenwellen aber sehr viel größer sind, konnte nicht direkt untersucht werden, wie sich eine solche Welle in der Probe ausbreitet.

Ein neues Untersuchungsverfahren ermöglicht es jetzt, Erdbebenwellen bei verschiedenen Druckbedingungen im Labor zu simulieren und die Auswirkungen auf Proben zeitlich hoch aufgelöst zu messen. „Wir simulieren die Erdbebenwellen dadurch, dass wir die Probe kontrolliert zyklisch komprimieren und wieder entspannen, und zwar mit Frequenzen die typisch sind für Erdbebenwellen. Gleichzeitig können wir mit Röntgenstrahlung sehr genau beobachten, wie sich das Volumen des untersuchten Materials währenddessen verändert“, sagt Hanns-Peter Liermann von der Extreme-Conditions-Messstation P02.2 an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III, an der der neue Experimentalaufbau entwickelt und die Messung durchgeführt wurde.

In ihrem Experiment haben die Forscher um Marquardt einen Prozess im Mineral Ferroperiklas ((Mg,Fe)O), dem zweithäufigsten Bestandteil des unteren Mantels, genauer untersucht. Die Elektronen des Eisens in Ferroperiklas wechseln ab einem bestimmten Druck ihre Position und gehen in einen energetisch günstigeren Zustand über, wodurch sich verschiedene Eigenschaften wie das Volumen des Minerals verändern. „Wir konnten zum ersten Mal in Messungen bei seismischer Frequenz untersuchen, wie sich das Kompressionsmodul von Ferroperiklas während des Übergangs verändert“, sagt Marquardt. Dieses Modul gibt an, wie widerstandsfähig ein Stoff gegen die Änderung seines Volumens ist, die Wellengeschwindigkeit hängt direkt mit seinem Wert zusammen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Kompressionsmodul und damit die Wellengeschwindigkeit nach dem Übergang kurzfristig stark sinken und bestätigen damit frühere Studien, die bei sehr hohen Frequenzen durchgeführt wurden.“ Diese Erkenntnis hat wiederum Folgen für die Modellierung des Erdinneren, bei der berücksichtigt werden muss, dass ab einem bestimmten Druck und damit einer bestimmten Tiefe die Wellengeschwindigkeit in Ferroperiklas geringer wird.

In zukünftigen Studien wird die Messmethode noch weiterentwickelt, sodass die Untersuchungen auch bei sehr hohen Temperaturen, wie sie im Erdinneren vorliegen, durchgeführt werden könnten. Diese Studien werden im Rahmen der Forschungsgruppe FOR2440 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und mit dem Verbundforschungsprojekt 05K13RF1 durch das Bundesforschungsministerium BMBF unterstützt. „Durch die Verwendung unseres Messaufbaus für die Simulation von Erdbebenwellen eröffnen sich ganz neue Untersuchungsmöglichkeiten, mit denen die Bedingungen im Erdinneren immer besser nachgebildet werden können“, betont DESY-Forscher Liermann.

 

Originalveröffentlichung

Elastic softening of (Mg_0.8Fe_0.2)O ferropericlase across the iron spin crossover measured at seismic frequencies; H. Marquardt, J. Buchen, A.S.J. Mendez, A. Kurnusov, M. Wendt, A. Rothkirch, D. Pennicard, H.-P. Liermann; “Geophysical Research Letters”, 2018; DOI: 10.1029/2018GL077982