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Streit ums Wasser

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 01.08.2013 16:58

Als einziger uns bekannter Gesteinsplanet hat die Erde eine extrem bewegliche Oberfläche. Relativ schnell nach der Bildung des Planeten hat die Plattentektonik eingesetzt und sie bewegt die Krustenplatten bis heute mit Geschwindigkeiten zwischen zwei und acht Zentimetern im Jahr. Als "Schmiermittel", das das Gleiten ermöglicht, wird gemeinhin Wasser in den Mineralen des oberen Erdmantels angenommen. Ein junger Doktorand aus Bayreuth hat jetzt in "Nature" die Ergebnisse von Druckexperimenten veröffentlicht, die dieser Annahme widersprechen.

Die Oberfläche der Erde zerfällt in zahlreiche Krustenplatten.Die Plattentektonik hat die Landmassen unseres Planeten über Jahrmilliarden hinweg immer wieder neu arrangiert. 100 Jahre, nachdem Alfred Wegener zum ersten Mal eine entsprechende Idee äußerte und damit spektakulär bei seinen Fachkollegen durchfiel, sind Tatsache und Bedeutung der Plattentektonik unumstritten. Doch wie genau die Krustenplatten auf der Asthenosphäre, dem oberen Erdmantel, herumgleiten, ist alles andere als gesichert. "Die Vorstellung muss neu überdacht werden, Wasser diene quasi als Schmiermittel für die Plattentektonik", resümiert etwa Michael Wiedenbeck, Chef der SIMS-Ionensonde beim Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam einen Artikel in "Nature Geoscience". Wiedenbeck hatte zusammen mit Kollegen der japanischen Okayama-Universität und des Bayerischen Geoinstituts an der Universität Bayreuth Olivinkristalle auf ihre Druckfestigkeit getestet. Olivin ist das Mineral, das den größten Teil des Erdmantels ausmachen soll. "Aus früheren Druckexperimenten wurde geschlossen, dass im Kristallgitter eingeschlossenes Wasser den Olivinkristall schwächt und so die Bewegungen der Lithosphäre auf der Asthenosphäre ermöglicht", erklärt Hauptautor Hongzhan Fei, Doktorand in Bayreuth. Nur wenige Teile Wasser pro Million Teile Mineral sollten reichen, so die Vorstellung, um die Kristalle in der oberen Asthenosphäre entscheidend zu schwächen und in eine Art Schmierseifenschicht für die Krustenplatten über ihnen zu verwandeln.

Fei, Wiedenbeck und Feis Bayreuther Doktorvater Tomoo Katsura wollten diese Sicht überprüfen. Dafür hat Hongzhan Fei einzelne künstlich hergestellte Olivinkristalle mit unterschiedlichen Gehalten an Kristallwasser versehen und in Bayreuth Drücken von acht Gigapascal und Temperaturen von rund 1600 Grad Kelvin ausgesetzt. Das entspricht den Bedingungen im unteren Teil der Asthenosphäre. "Nach meinen Ergebnissen ist der Effekt des Wassers auf Olivin gering", so Fei, "die Schwächung der Kristalle kann nicht auf die Anwesenheit von Wasser zurückzuführen sein."

Die mittelozeanischen Rücken (hellblau in den Meeren abgebildet) bilden ein weltumspannendes System von Bergketten.Muss daher die Rolle des Wassers in der Plattentektonik grundsätzlich überdacht werden? "Wir werden unsere bisherigen Interpretationen der Druckexperimente überprüfen müssen", sagt Greg Hirth, Geologieprofessor an der Brown University im US-Bundesstaat Rhode Island und einer der Experimentatoren, die eine starke Schwächung der Olivine gefunden hatten, "aber es gibt eine Reihe guter Experimente, die diesen starken Schwächungseffekt stützen." Das Bayreuther Experiment habe ohnehin nicht die Schwächung des Olivinkristalls direkt gemessen, sondern einen anderen Parameter, die Siliziumdiffusion. "Das ist nur ein indirekter Test der Rolle, die Wasser bei der Schwächung der Kristalle spielt", betont Hirth.

Thorsten Becker, Professor für Geodynamik an der Universität von Südkalifornien in Los Angeles wird deutlicher: "Sie haben nicht die Eigenschaft geprüft, an der wir interessiert sind, wenn es um die direkte Mineraldeformation geht. Dann haben sie auch nicht das wirkliche Erdmantelmineral benutzt. Diese Unterschiede können letztendlich sehr wichtig werden." Fei selbst macht kein Geheimnis um den synthetischen Ursprung seines Versuchsmaterials. "Es war synthetisches Material, weil wir mit größeren Verunreinigungen arbeiteten, um so bessere Resultate zu erzielen." Der künstliche Olivin-Kristall hatte einen besonders hohen Iridiumanteil, was allerdings nur die Messung erleichtern sollte.

Dass ein Experiment noch lange keine überzeugende Theorie stürzt, meint auch John Brodholt vom University College in London. "Es ist noch früh in der Auseinandersetzung", schreibt er in einem Kommentar für "Nature", "die Experimente müssen unabhängig nachvollzogen und auch mit anderen Materialen durchgeführt werden." Allerdings habe bereits ein anderes Team zu Beginn des Jahres gefunden, dass Olivin durch Wasser nur geringfügig geschwächt werde. Es gibt also zumindest einen Zweifel an der bisher allgemein akzeptierten Schmiermittelthese.

Für die Theorie der Plattentektonik an sich hat die Auseinandersetzung um das Wasser keine Auswirkungen. "Die Plattentektonik selbst ist glücklich und gesund", scherzt Thorsten Becker, "wir haben nur nicht mehr eine so elegante Ausrede für all die hässlichen offenen Fragen, die es da noch gibt." So muss es für den offenbar vorhandenen Gleitfaktor eine Erklärung geben. "Sie deuten zwar etwas an", so Greg Hirth, "aber sie geben keine wirkliche Erklärung." Hongzhan Fei ist sich dieser Schwäche durchaus bewusst, kann derzeit aber nicht mehr als Vermutungen bieten: "Vielleicht liegt es an den Temperaturunterschieden zwischen Litho- und Asthenosphäre." Stoff für heftige Debatten haben der junge Chinese und seine Co-Autoren jedenfalls geliefert, zu verführerisch ist die Schmiermittelthese.