11.6 – Methoden der experimentellen Geochemie und Geophysik
Im Inneren unseres Planeten herrscht ein Druck von bis zu drei Millionen Atmosphären und eine Temperatur von bis zu 5.000 Grad Celsius. Nur die äußere Erdkruste kann bis zu einer Tiefe von etwa zehn Kilometern direkt untersucht werden. All unsere Informationen über das tiefere Erdinnere stammen aus dem Vergleich verschiedenster Messungen mit den Resultaten von Laborexperimenten.
Auch die Gesteine der Erdkruste sind überwiegend bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur entstanden. Viele wichtige geologische Fragestellungen konnten nur durch experimentelle Untersuchungen geklärt werden. Lange war es zum Beispiel umstritten, ob Granite aus Magmen entstehen. Erst als Laborexperimente zeigten, dass Granitschmelzen sich schon bei sehr niedrigen Temperaturen bilden und dass die Schmelzen praktisch identisch zusammengesetzt sind wie natürliche Granite, wurde diese Theorie allgemein akzeptiert.
Die technische Entwicklung der vergangenen Jahrzehnte macht es heute möglich, den gesamten Druck- und Temperaturbereich des Erdinnern im Labor zu realisieren. Dabei werden überwiegend zwei Typen von Apparaturen verwendet: In Diamantstempelzellen werden die Proben zwischen den Spitzen zweier Diamanten zusammengepresst. In diesen nur wenige Zentimeter großen Apparaturen können extrem hohe Drücke erzeugt werden. Wird die Probe mit einem Laser aufgeheizt, steigt auch die Temperatur auf extrem hohe Werte. Da die Proben jedoch nur 10 bis 100 Mikrometer groß sind, lassen sich komplexe chemische Systeme damit kaum studieren. Auch zahlreiche physikalische Eigenschaften lassen sich nicht messen. In Mehrstempel-Pressen können dagegen größere Proben untersucht werden. Der zugängliche Druckbereich ist jedoch normalerweise auf 25 Gigapascal, also 250.000 Atmosphären, begrenzt. Damit lassen sich die Bedingungen in der obersten Schicht des unteren Erdmantels gerade noch nachvollziehen. Niedrigere Drücke, wie sie in der Kruste oder im obersten Mantel herrschen, können auch mit einfacheren Stempel-Zylinder-Pressen oder mit beheizten Autoklaven erreicht werden.
In den letzten Jahren haben Geowissenschaftler wesentliche Fortschritte dabei erzielt, Strukturen und Eigenschaften von Gesteinen unter hohem Druck und hoher Temperatur direkt zu messen. Dabei verwendeten sie meist die intensive Röntgenstrahlung von Synchrotonquellen, wie der ESRF in Grenoble oder dem DESY in Hamburg. Eine andere wichtige neue Technologie ist Ultraschall-Interferometrie in Mehrstempel-Pressen und Diamantstempelzellen. Damit kann die Geschwindigkeit seismischer Wellen in Mineralen und Gesteinen direkt unter hohem Druck gemessen und anschließend mit seismischen Daten verglichen werden.
Die geowissenschaftliche Hochdruckforschung hat einen praktischen Nutzen. Sie trägt dazu bei, neue Materialien zu entwickeln. So stammt die Technologie, um synthetische Diamanten herzustellen, aus den Geowissenschaften. Zahlreiche neuartige ultraharte Materialien, Supraleiter, ferroelektrische Speicher oder Halbleiter für elektronische Anwendungen konnten erstmals unter hohem Druck synthetisiert werden. Auch Wasserstoff-Hydrate wurden erstmals in Diamantstempelzellen synthetisiert. Später gelang es, ihren Stabilitätsbereich in einen niedrigeren Druckbereich zu verschieben. Sie kommen daher als Speichermedium für Wasserstoff in Betracht, zum Beispiel in Brennstoffzellen-Autos.
Um chemisch komplexe Systeme untersuchen und zahlreiche physikalische Eigenschaften messen zu können, müssen Proben relativ groß sein. Für solche Messungen eignen sich Mehrstempel-Apparaturen. Prinzipiell ist es mit Hilfe von Stempeln aus gesintertem Diamant möglich, den Druckbereich dieser Apparaturen auf über 50 Gigapascal zu erweitern, also auf eine halbe Million Atmosphären. Dazu ist es erforderlich, die Kräfte auf die einzelnen Stempel genau zu kontrollieren. Das ist wahrscheinlich nur mit neuartigen Pressen möglich.
Erweiterung des Druckbereichs von Mehrstempel-Apparaturen
Mit kleinen Diamantstempelzellen lassen sich im Labor extrem hohe Drücke und Temperaturen erreichen. Weil Diamanten für sichtbares Licht und Röntgenstrahlen durchlässig sind, lassen sich zahlreiche Eigenschaften von Materialien innerhalb der Stempelzelle direkt bestimmen. Links: eine Diamantzelle (Bildmitte) auf einem Röntgendiffraktometer zur Strukturbestimmung an der Beamline F1 am DESY. Rechts: Eine Diamantzelle in einer Apparatur zur Ultraschall-Interferometrie, mit der die Geschwindigkeit seismischer Wellen im Erdmantel bestimmt werden kann (Quelle: links: Ulrich Bismayer, Universität Hamburg, rechts: Bayerisches Geoinstitut (BGI), Bayreuth)
Drücke werden häufig bestimmt, indem das Volumen der vorgegebenen Menge einer Eichsubstanz mit Hilfe von Röntgenstrahlung gemessen wird. Dafür muss jedoch die jeweilige Zustandsgleichung zu hohen Drücken extrapoliert werden, was zu großen Fehlern führen kann. Alle Phasendiagramme zum Verhalten von Gesteinen unter den Bedingungen des Erdmantels oder Erdkerns sind mit diesen Fehlern behaftet, ebenso wie die physikalischen Eigenschaften von Gesteinen. Wenn man das Zellvolumen und die Kompressibilität einer Eichsubstanz über einen weiten Druckbereich gleichzeitig misst, könnte man eine absolute Druckskala etablieren, die unabhängig von Annahmen über die Zustandsgleichung ist. Dies lässt sich realisieren, wenn man Röntgenbeugung und Brillouin-Spektroskopie an Einkristallen kombiniert.
Absolute Druckkalibrierung
Für realistische Modelle der Mantelkonvektion muss die so genannte Rheologie bekannt sein, das heißt, wie sich die Minerale des tiefen Erdmantels verformen. Um das herauszufinden, müssen neuartige Pressen konstruiert werden. Es sollte möglich sein, mehrere Stempel unabhängig voneinander zu bewegen und das Verhalten der Probe direkt röntgenographisch zu untersuchen. Für vulkanologische Fragestellungen sind neue Apparaturen notwendig, in denen kristallhaltige und blasenhaltige Magmen unter erhöhtem Druck kontrolliert verformt werden können.
Apparaturen für Verformungs-experimente unter hohem Druck
Eine Mehrstempel (Multi-Anvil)-Presse mit einer Presskraft von 1.000 Tonnen. Mit dieser Presse kann man Bedingungen im obersten Teil des unteren Erdmantels simulieren. Rechts sind sieben der acht Würfel aus Wolframkarbid gezeigt, die den Druck auf die Probe übertragen. Die Probenkapsel (rechtes Bild, ganz vorne) ist nur wenige Millimeter groß. Auf dem rechten Bild sind außerdem Teile des elektrischen Heizkörpers um die Probe sowie ein Thermoelement zur Messung der Temperatur zu sehen (Quelle: Bayerisches Geoinstitut (BGI), Bayreuth)
Wie sich wässrige Fluide und Silikatschmelzen unter erhöhtem Druck verhalten, ist weitgehend unbekannt. Eine vielversprechende neue Methode, mit der sich die Löslichkeit von Mineralen in Fluiden bestimmen lässt, ist die Röntgenfluoreszenz in Diamantstempelzellen. Die Raman-Spektroskopie in Laser-geheizten Diamantstempelzellen könnte Daten über die Struktur von Silikatschmelze unter hohem Druck liefern. Um Probleme mit der Wärmestrahlung der Probe zu umgehen, müssten Ultraviolett-Laser verwendet werden, um die Raman-Spektren zu messen. Um die Viskosität von Silikatschmelzen bei mehr als zehn Gigapascal zu messen, müssen Mehrstempel-Pressen weiterentwickelt werden. Welche Viskosität geschmolzenes Eisen im Erdkern hat, lässt sich experimentell derzeit nicht herausfinden.
In-situ-Untersuchung von Fluiden und Silikatschmelzen
Neutronen sind besonders geeignet, um leichte Elemente wie Wasserstoff in Kristallstrukturen zu lokalisieren. Gashydrate oder wasserhaltige Silikatschmelzen könnte man beispielsweise hervorragend mit Neutronen untersuchen. Für solche Messungen müssen jedoch neuartige Hochdruckapparaturen entwickelt werden, da für Beugungsexperimente mit Neutronen relativ große Proben benötigt werden.
In-situ-Untersuchungen mit Neutronen