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Forschungsarbeit

Ozean und Erdmantel. Das Mineral Klinopyroxen und der globale Wasserkreislauf

von Polina Gavrilenko (27.10.2008)

Lange Zeit ging man davon aus, dass sich praktisch alles Wasser auf der Erde an der Erdoberfläche befindet und dass das Erdinnere im Wesentlichen „trocken“ ist. Tatsächlich besteht der Erdmantel nur aus Mineralen, die in ihrer chemischen Formel eigentlich  kein Wasser enthalten. Sehr sorgfältige Untersuchungen haben jedoch in den letzten Jahrzehnten gezeigt, dass auch diese „nominal wasserfreien Minerale“ Spuren von chemisch gebundenem Wasser enthalten. Das Wasser ist dabei in Form von OH-Gruppen als Punktdefekte im Mineral gelöst. Obwohl die Konzentrationen von Wasser in diesen Mineralen sehr gering sind (0,01 – 0,1 Prozent), so stellen sie wegen der großen Masse des Mantels doch ein gewaltiges Wasserreservoir dar, was vergleichbar ist mit der gesamten Wassermasse aller Ozeane zusammen. Eine besonders interessante Frage ist hier, ob und wie über geologisch lange Zeiträume ein Austausch von Wasser zwischen diesen beiden Reservoiren stattfindet.

Ein Bruchstück des Erdmantels, welches bei einer Vulkaneruption in Patagonien aus über 50 km Tiefe an die Erdoberfläche gebracht wurde[Bildunterschrift / Subline]: Abb 1: Ein Bruchstück des Erdmantels, welches bei einer Vulkaneruption in Patagonien aus über 50 km Tiefe an die Erdoberfläche gebracht wurde. Die intensiv grünen Körner sind Klinopyroxen, das Mineral, das von Frau Gavrilenko während ihrer Dissertation untersucht wurde.

Frau Gavrilenko hat sich im Rahmen ihrer Dissertation mit der Löslichkeit von Wasser im Klinopyroxen beschäftigt. Klinopyroxen ist ein kompliziert zusammengesetztes Silikat, welches im Erdmantel verbreitet vorkommt (siehe Abb. 1). Frau Gavrilenko konnte mit Hilfe von Hochdruckexperimenten (Abb. 2) messen, wie viel Wasser im Klinopyroxen gelöst werden kann. Die Experimente zeigen, dass Klinopyroxen ein bedeutender Wasserspeicher im oberen Erdmantel ist. Vor allem erlauben sie aber auch Rückschlüsse auf den Transport von Wasser aus dem Ozean zurück in den Mantel.

Der Ozeanboden ist in ständigem Kontakt mit Meerwasser und enthält daher Wasser-haltige Minerale. Wenn ozeanische Kruste an so genannten Subduktionszonen, wie etwa unter den Anden oder unter Süditalien wieder in den Mantel zurückgeführt wird, werden diese Minerale instabil und setzen Wasser frei. Dadurch kommt es zur Schmelzbildung, die sich in Vulkaneruptionen wie am Ätna oder Vesuv äußert. Das zurückbleibende Gestein enthält vor allem Klinopyroxen, der dann tiefer in den Mantel transportiert wird. Frau Gavrilenko konnte nun aufgrund ihrer Experimente zeigen, dass Klinopyroxen so viel Wasser in den Mantel zurückführen kann, dass über einen Zeitraum von einer Milliarde Jahre der Meeresspiegel um hunderte von Metern absinken würde. Dieser Prozess spielt wahrscheinlich eine Rolle bei langfristigen Meeresspiegelschwankungen, wie man sie aus der geologischen Vergangenheit kennt.

Hochdrucklabor am Bayerischen Geoinstitut[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2. Ein Blick in ein Hochdrucklabor am Bayerischen Geoinstitut.

Spuren von Wasser in Kristallen  können darüber hinaus drastische Auswirkungen auf physikalische Eigenschaften wie Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit haben, die technisch sehr interessant sein können. Die Untersuchung derartiger Defekte in Kristallen ist daher auch für die Entwicklung neuer Materialien von großem Interesse. Diese Verknüpfung zwischen geowissenschaftlicher und materialwissenschaftlicher Forschung ist ein Hauptanliegen des Graduiertenkollegs „Oxide“ im ENB.


Polina Gavrilenko
* 1981

Stationen
  • 09.1998 – 06.2004
  • Moskauer Staatsuniversität, Geologische Fakultät, Abteilung für Kristallographie und Kristallchemie, Bachelor in Geologie: Juni 2002; Master in Geologie: Juni 2004
  • seit 05.2005
  • Doktorandin am Bayerischen Geoinstitut - Universität Bayreuth, im Doktorandenkolleg „Struktur, Reaktivität und Eigenschaften Oxidischer Materialien“. Titel der Doktorarbeit: „Die Wasserlöslichkeit in Diopsid“
  • 04.2007 – 07.2007
  • Gaststudentin am „Virginia Tech” (Virginia Polytechnic Institute and State University), Blacksburg, Virginia, USA. Mitarbeit im Rahmen eines Projektes in der Hochdruck-Kristallographie