Gold- und Gold-Palladiumt-Kapseln der typischen Groesse für Experimente bei Drucken von 4-10 Giga-Pascal. Die mittlere Kapsel ist noch auf einer Seite offen um das synthetische Gesteinspulver sowie die Diamantfalle einzufuellen. Die Kapseln werden dann verschweisst, zu Zylindern verpresst, und dann in die Druckmatrize mit Wiederstandsheizung eingebaut. (Bilder: Max Schmidt) gross

Die äusseren Schichten entsprechen in ihrer Zusammensetzung einem durchschnittlichen Basalt des ozeanischen Rückens. Wird nun der Druck – von ihm aus kann direkt auf die reale Tiefe der ozeanischen Platte geschlossen werden – und die Temperatur variiert, werden aus den Randschichten die wasserreiche Schmelze oder wässrige Lösung mit ihren gelösten Spurenelementen aus der Gesteinsschicht in die Poren der Diamantschicht hinausgepresst.

Damit hat man Spurenelemente eingefangen, aber noch nicht gemessen. Am Ende des Experiments bilden die noch homogene Schmelze oder Lösung nämlich einen wässrigen Brei von (Quench-) Kristallen, der zudem durch die Kapsel noch unter leichtem Überdruck steht. Um diesen Brei korrekt messen zu können, wendeten die Forscher einen weiteren Trick an. Sie froren die Kapseln ein, damit beim Aufschneiden kein Wasser entweicht. Die gefrorenen Diamantfallen wurden anschliessend mittels Laserablation, bei der mittels Laserstrahlen feinste Schichten abgedampft werden, auf ihre Zusammensetzung hin untersucht.

Bei grossem Druck superkritisch

Diese Untersuchung ergab dann die bereits kurz erwähnten Resultate. Beispielsweise konnte man bei 4 Giga-Pascal, was einer Tiefe von 120 Kilometer entspricht, für den Anteil des Thoriums in Lösung zwischen 800 und 900 Grad Celsius einen klaren Sprung erkennen. Das Verhältnis von gelöstem Thorium zu dem in den Mineralien enthaltenen ändert von einem Wert von kleiner als 1 zu einem grösser als 1. Das lässt den Schluss zu, dass über 800 Grad eine Schmelze vorkommt, darunter aber eine wässrige Lösung. Der erwähnte Sprung findet bei 6 Giga-Pascal beziehungsweise 180 Kilometer Tiefe nicht mehr statt. Das Verhältnis des gelösten Thoriums zu dem in der soliden Phase bleibt immer grösser als 1, entspricht also bei jeder Temperatur der Signatur einer Schmelze.

Insgesamt, so Ulmer, ist nun klar, dass bei einer Tiefe unter 160 Kilometer die Spurenelement-Signaturen mit Schmelzcharakteristik nicht unbedingt von klassischen Schmelzen stammen müssen. Die flüssige Phase verhält sich dann so genannt superkritisch, indem ein Kontinuum zwischen einer wässrigen Lösung und Schmelze entsteht. Diese für den Stofftransport in der Geologie wichtige Einsicht ist gemäss Ulmer nur möglich gewesen, da an der ETH technisches Know-how für die gekühlte Laserablation wie auch für die Kapselsimulationen kombiniert werden konnte.

Die Implikationen der experimentellen Resultate sind gemäss Max Schmidt weitreichend: Bis jetzt wurde aufgrund der Geochemie eruptierter Laven argumentiert, dass die ozeanische Kruste bei ihrer Versenkung aufgeschmolzen werden muss – was mit thermomechanischen Modellen von Subduktionszonen nur schwer in Einklang zu bringen ist. Die neuen Resultate erlauben, dieselbe geochemische Signatur bei sehr viel kälteren und auch tieferen Bedingungen – ohne Aufschmelzung - zu erzeugen. Das wiederum vereinfacht zum einen den Mechanismus von Erdbeben in einer Tiefe von mehr als 200 Kilometet, zum anderen trägt es zum Verständniss des explosiven wasserreichen Subduktionszonen-Vulkanismus' bei.