Hochdruck-Kristalle aus dem Erdmantel

Las Vegas (USA) - Rund die Hälfte der Wärme in der Erde hat seinen Ursprung in radioaktiven Isotopen von Elementen wie Uran, Thorium oder Kalium. Die chemische Zusammensetzung des Erdmantels spielt eine wesentliche Rolle, um die Verteilung dieser Isotope erklären zu können. Amerikanischen Geophysiker gelang nun ein wichtiger Schritt in der Entdeckung eines speziellen Kristalls, das als Transporter für diese Isotope dienen kann und nur unter den hohen Drücken im Erdmantel stabil bleibt. In der Fachzeitschrift „Science“ berichten sie, wie sie die Kalziumsilikat-Perowskite in einem Diamanten aus Botswana aufgespürt haben.

Frühere Experimente zeigten, dass der radioaktive Zerfall der Elemente Uran, Thorium und Kalium allein etwa 24.000 Milliarden Watt Wärme liefern. Geophysiker nahmen bereits an, dass Kalziumsilikat-Perowskite mit einer kubischen Kristallstruktur im Erdmantel als Transporter für diese Isotope dienen könnten. Doch direkt nachweisen ließ sich diese nur unter extrem hohen Drücken von rund 40 Gigapascal – das entspricht dem 400.000-fachen Atmosphärendruck – stabilen Kristallform bisher nicht. Die Lücke konnte nun eine Forschergruppe um Oliver Tschauner von der University of Nevada in Las Vegas stopfen.

Für ihre Entdeckung analysierten die Forschenden die kristallinen Einschlüsse in einem Diamanten, der aus einer Mine nahe der Stadt Orapa in Botswana geschürft wurde. Diese Diamanten haben ihren Ursprung im Erdmantel in mindestens 660 Kilometern Tiefe und wanderten im Laufe der Erdgeschichte durch die Erdkruste bis zu den Fundorten nahe der Oberfläche. Das Besondere: Dank der extremen Härte und Stabilität schützen die Diamanten ihre kristallinen Einschlüsse vor den geringeren Drücken nahe der Erdoberfläche. So konservieren sie effizient die sonst nur unter hohen Drücken stabilen Kalziumsilikat-Perowskite. Der Nachweis dieser Kristallstrukturen gelang den Forschern mit der Methode der Röntgenstreuung, angewandt an der Synchrotronquelle Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory unweit von Chicago.

Diese Analysen offenbarten nicht nur die kubische Perowskit-Struktur der Kalziumsilikate. Auch hohe Anteile an Kalium neben Uran und Thorium konnten die Forschenden in den Hochdruck-Kristallen nachweisen. Damit bestätigt sich die bisherige Annahme von Geophysikern, dass diese Perowskite im Erdmantel als Transporter für radioaktive Isotope zur Verfügung stehen. Zusätzlich handelt es sich bei diesen Ergebnissen um den allerersten Nachweis von Kalziumsilikat-Perowskiten in der Nature. Damit darf diese Kristallvariante auch offiziell einen Namen erhalten. Die Forschenden tauften es auf „Davemaoit“ zu Ehren von Ho-kwang (Dave) Mao, einem aus China stammenden US-Geowissenschaftler, der als Erster mit Diamantstempelzellen Drücke über einem Megabar erreichte.