WIE GROSS SIND DIE KÖRNER AM GRUND DES ERDMANTELS?

Tief unter Afrika und dem Pazifischen Ozean, an der Basis des Erdmantels, werden seismische Wellen in zwei gigantischen Regionen langsamer, den sogenannten großen Provinzen niedriger Scherwellengeschwindigkeit (large low shear-velocity provinces, LLSVPs). Sie ragen mehr als 1.000 km über die Grenze zum Kern auf und bedecken fast ein Viertel seiner Fläche. Ob sie heißer, chemisch anders oder beides sind, ist noch umstritten. Studien zur seismischen Dämpfung deuten darauf hin, dass sie aus groben Körnern bestehen und von feinkörnigerem Mantel umgeben sind.

Ein möglicher Bestandteil ist Davemaoit, Calciumsilikat in Perowskitstruktur, das dritthäufigste Mineral des unteren Mantels: etwa 10 % von Pyrolit, dem Standardmodell für Mantelgestein, und bis zu 25 % von subduziertem Basalt.

Ein Dreißig-Prozent-Rätsel

Davemaoit ist schwer zu untersuchen. Es lässt sich nicht intakt an die Oberfläche bringen — beim Abkühlen ändert es seine Struktur, und bei sinkendem Druck wird es glasig —, daher muss seine Elastizität bei hohem Druck und hoher Temperatur gemessen werden. Und genau dort widersprechen sich Theorie und Experiment seit Jahrzehnten: Quantenrechnungen sagen einen um etwa 30 % höheren Schermodul voraus als gemessen. Bei den meisten Mantelmineralen stimmen beide eng überein.

Peiyu Zhang, Liang Yuan und Kollegen von der China University of Geosciences in Wuhan, der Universität Bayreuth und der University of Michigan hatten die Proben im Verdacht. Alle Labormessungen nutzten Polykristalle aus Glas, mit Körnern von nur einigen Dutzend Nanometern — also mit sehr vielen Korngrenzen. Dünne ungeordnete Schichten an diesen Grenzen oder Glasreste würden in der Röntgenbeugung kaum auffallen, könnten das Material aber weicher machen.

Millionen von Atomen

Um das zu prüfen, trainierte das Team ein Maschinenlernmodell der interatomaren Kräfte mit Quantenrechnungen für 0–100 Gigapascal und 0–6.000 Kelvin, genau genug, um riesige Systeme zu simulieren. Zuerst prüften die Forschenden die Grundlagen: Im unteren Mantel ist Davemaoit im Mittel kubisch. Ein perfekter Einkristall aus 20.480 Atomen lag bei den Scherwellen immer noch mehr als 10 % zu schnell im Vergleich zum Experiment — weder die Größe der Simulation noch ein naher Phasenübergang erklärten also die Lücke.

Dann bauten sie Boxen von etwa 30 Nanometern Breite mit 15, 120 oder 480 zufällig orientierten Körnern, bis zu 3,4 Millionen Atome, bei 50 Gigapascal und 2.142 Kelvin. Je feiner die Körner, desto größer der ungeordnete Anteil: 1,8, 3,5 und 5,8 % des Volumens.

Wenig Unordnung, starke Erweichung

Zwischen einem perfekten Kristall und der Probe mit 480 Körnern:

• sank der Schermodul um 37 % (von 213 auf 136 Gigapascal);
• sank der Kompressionsmodul nur um 12 %;
• fiel die Scherwellengeschwindigkeit um 19,3 %, die Kompressionswellengeschwindigkeit um 10,6 %.

Ein paar Prozent Unordnung an den Korngrenzen genügen also, um Theorie und Experiment in Einklang zu bringen. Simulierte Röntgenmuster ändern sich im selben Bereich kaum — deshalb konnten Experimentatoren sie nicht sehen. Der Polykristall verhält sich wie die weichste Anordnung, die die Physik zulässt: Seine Steifigkeit wird von einem zusammenhängenden Netz nachgiebiger Grenzen bestimmt.

Eine Untergrenze für die Korngröße

In Modelle von Mantelgestein eingesetzt, erzeugt erweichter Davemaoit in basaltreichem Material eine LLSVP-ähnliche Signatur: Scherwellen 6,2 % langsamer als in Pyrolit, Kompressionswellen nur 1,9 % langsamer. Die Autoren betonen, dass dies einen Mechanismus belegt — nicht, dass so feine Körner dort unten existieren.

Umgekehrt liefert die Beziehung eine Einschränkung. Der ungeordnete Anteil skaliert ungefähr wie die Grenzbreite (etwa 1 Nanometer) geteilt durch die Korngröße. Damit die bescheidenen Kompressionswellen-Anomalien der LLSVPs erhalten bleiben, muss dieser Anteil unter etwa 1 % liegen, die Körner müssen also mindestens etwa 100 Nanometer groß sein. Diese Untergrenze stimmt mit Modellen des Kornwachstums im konvektierenden Mantel überein und mit den seismischen Hinweisen auf grobkörnige LLSVPs.

Die Simulationen verwenden reines Calciumsilikat, während natürlicher Davemaoit Natrium, Kalium, Eisen, Aluminium und Titan enthält, und ihre Körner sind weit kleiner als echte Mantelkörner. Das Team schlägt drei Laborwege vor — totale Röntgenstreuung, Raman-Bildgebung und chemische Kartierung der Korngrenzen im Nanomaßstab —, um endlich zu messen, wie viel Unordnung in den Proben steckt, die bislang die Zahlen geliefert haben.