Überraschend beständig: Forscher haben zuvor unbekannte, sehr druckbeständige Varianten des häufigen Silikatminerals Feldspat entdeckt. Diese halten einem Druck von bis zu 15 Gigapascal und Temperaturen von bis zu 600 Grad stand. Damit könnte diese Feldspat-Form selbst im oberen Erdmantel noch stabil sein – das wirft auch ein neues Licht auf das Verhalten abtauchender Erdplatten an Subduktionszonen, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.
Feldspate sind echte Allerweltsminerale: Diese Gruppe von gesteinsbildenden Silikatmineralen machen 60 Prozent der Erdkruste aus und sind die Grundlage unter anderem von Granit und Gneis. Typischerweise bestehen Feldspate wie Anorthit, Albit oder Mikroklin aus Aluminium- und Sauerstoffatomen, die im Kristallgitter mit jeweils vier Sauerstoffatomen ein Tetraeder bilden. Diese Dreieckspyramiden haben jeweils ein Aluminium- oder Siliziumatom im Zentrum, umgeben von vier Sauerstoffatomen an den Ecken.
Sensibel gegen Druck und Hitze
Doch bisher galt diese Konfiguration nur unter den Bedingungen der Erdkruste und Erdoberfläche als stabil: „Es ist bekannt, dass Feldspate nur bei Drücken von bis zu drei Gigapascal entlang des üblichen Druck-Temperatur-Profils der Erde stabil sind, während sie sich bei höheren Drücken in dichtere Mineralien zersetzen“, erklärt Anna Pakhomova vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY. Drei Gigapascal entsprechen etwa dem 30.000-Fachen des normalen atmosphärischen Drucks.
Zwar kann das Tetraeder-Gerüst des Feldspats bei Raumtemperatur auch bis zehn Gigapascal erhalten bleiben, nicht aber unter den weit heißeren Hochdruckbedingungen des Erdmantels – so jedenfalls dachte man bisher. Um das zu überprüfen, haben Pakhomova und ihre Kollegen nun Feldspatproben einem Druck bis zu 27 Gigapascal ausgesetzt und dabei die Kristallstruktur mithilfe der Röntgenstreuung beobachtet.
Stabil noch bei 15 Gigapascal
Das überraschende Ergebnis: „Bei Drücken über zehn Gigapascal haben wir neue Hochdruckformen von Anorthit, Albit und Mikroklin entdeckt“, berichtet Pakhomova. Unter diesen Bedingungen verzerren sich die typischen Tetraeder im Kristallgitter dieser Minerale und es entstehen Polyeder, bei denen ein Aluminium- oder Siliziumatom an vier, fünf oder sechs Sauerstoffatome gebunden ist. Das verleiht dem Feldspat eine höhere Stabilität.
Die Hochdruckvariante von Anorthit erwies sich dabei unter einem Druck von 15 Gigapascal sogar noch bei Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius als stabil, wie die Forscher berichten. Diese Bedingungen aber herrschen beispielsweise im oberen Erdmantel – und damit in einem Bereich des Erdinneren, in dem Feldspat nach gängiger Annahme längst zerfallen müsste.
Neuer Blick auf Subduktionszonen
Die Entdeckung der neuen Feldspat-Varianten ist damit nicht nur aus rein mineralogischer Sicht interessant, sie könnte auch Bedeutung für die Vorgänge an Plattengrenzen haben. „Solche Druck-Temperatur-Bedingungen herrschen auf der Erde etwa in den Subduktionszonen – das sind Regionen, in denen zwei Erdplatten aufeinandertreffen und eine sich unter die andere schiebt“, erklärt Seniorautor Leonid Dubrovinsky von der Universität Bayreuth.
Bei dieser Subduktion werden Feldspate zusammen mit anderem Krustenmaterial von der absteigenden Platte in die Tiefe befördert. Die Erkenntnis, dass diese Minerale dabei bestehen bleiben, wirft nun ein neues Licht auf die Vorgänge an diesen Plattengrenzen. „Dies könnte die Dynamik und die Entwicklung kalt abtauchender Erdplatten beeinflussen und seismische Signaturen verändern“, so Dubrovinsky. (Nature Commications, 2020; doi: 10.1038/s41467-020-16547-4)
Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
