GeologieEine Höllentour zum Erdkern? Dann lieber zum Mars!

Zu heiß, zu lebensfeindlich. Eine Reise ins Innerste unserer Erde gilt bisher als undenkbar. Nur die äußerste Schale haben Geologen bisher angebohrt. von Ralf Nestler

Vulkan Magma Lava

Der stark aktive Vulkan Karangetang auf der indonesischen Insel Sitaro  |  © AFP/Getty Images

Die Erde ist eine Scheibe. Zu diesem Schluss käme man, würde man das Wissen über unseren Planeten als Karte darstellen. Seine Oberfläche mit Gebirgen, Dschungeln, Wüsten und Gletschern ist in unzähligen Expeditionen erkundet worden. In die dritte Dimension ist dagegen kaum ein Mensch jemals vorgedrungen. Mit rund zwölf Kilometern Tiefe hat das tiefste Bohrloch der Welt auf der russischen Halbinsel Kola gerade ein Fünfhundertstel des Erdradius erschlossen.

Dank seismischer Wellen weiß man heute wenigstens, wie es ungefähr weitergeht auf dem Weg nach unten. Unser Planet besteht aus mehreren Schalen: Unter der dünnen Erdkruste folgt der weitgehend feste Erdmantel, darunter der äußere Erdkern, der flüssig ist. Ganz unten, im Zentrum, sitzt ein fester Kern.

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Doch wie sollen Forscher herausfinden, wie es in den Stockwerken des Erdballs genau aussieht? Ein persönlicher Besuch, wie ihn Jules Verne in seinem Abenteuerroman ersann, ist jedenfalls ausgeschlossen. Mit jedem Kilometer nehmen Druck und Temperatur zu. Nicht einmal Hohlräume für Zwischenstopps gibt es auf dem Weg in die Tiefe – kein Erdschiff könnte diesen höllischen Bedingungen standhalten.

Eine zweite Erde im Labor muss herhalten

Zumindest in Gedanken können Geoforscher aber schon heute in die Tiefe reisen: Mithilfe beheizbarer Hochdruckapparate simulieren sie die Bedingungen. Einer dieser Tiefenpioniere ist Wilhelm Heinrich vom Deutschen Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam. In seinem Labor stehen Geräte, mit denen er einzelne Minerale experimentell bis zum Erdkern schicken kann.

Ein blaues Ungetüm aus Metall ist der Fahrstuhl für die erste Strecke: eine drei Meter hohe Stempelpresse, die einen Druck von 2.000 Tonnen aufbauen kann. "Damit kommen wir bis weit in den oberen Erdmantel hinein", sagt Heinrich. Per Knopfdruck werden die Proben in die Erde versenkt. Ähnlich ergeht es in der Natur zum Beispiel einer ozeanischen Platte, die an einer Subduktionszone unter einen Kontinent abtaucht: vor Chile oder Japan oder Sumatra.

"Mit solchen Experimenten wollen wir herausfinden, wie sich die Gesteine dabei verändern", erläutert der Geochemiker. Seit Langem weiß man zum Beispiel, dass der Ozeanboden auf dem Weg nach unten jede Menge Wasser abgibt. Zunächst aus dem nassen Sediment des einstigen Meeresbodens, aber auch in Form von Kristallwasser. Das sind Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen, die unter extremem Druck und bei zu starker Hitze aus den Atomgittern der Minerale herausgejagt werden. Das Wasser steigt nach oben zur heißen Unterseite der Kontinentalplatte und heizt dort die Gesteinschmelze weiter an. Magma entsteht und steigt auf zu den Vulkanen. Dieses Prinzip herrscht unter den Vulkanen der Anden, am Fuji und an vielen anderen Orten der Erde.

Erdbebenforschung am Computermodell

So weit, so klar, sagt Heinrich. "Aber wie schnell wird das Wasser aus der versenkten Platte ausgetrieben?" Eine wichtige Frage, denn der Wassergehalt bestimmt maßgeblich, wie leicht sich Gesteine verformen lassen. Computermodelle, in denen tektonische Platten über die Erdoberfläche kriechen, untereinander abtauchen und sich ineinander verkeilen, brauchen solche Informationen für ihre Berechnungen. Nur so können Vulkanologen am Ende die Gefahren einschätzen, die an der Oberfläche für den Menschen bestehen.

Leserkommentare
  1. "Mit jedem Kilometer nehmen Druck und Temperatur zu."

    Schlimmer: Mit jedem halben Kilometer nehmen sie zu!

    :D

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  2. Eine Tonne ist ein Gewichtsmaß, der Druck wird aber ausgedrückt in Kraft pro Flächeneinheit. SI-Maß: Newton (N) pro Quadratmeter.

    1N =1kg x 1m / 1s², 1N/m² = 1kg / (1m x 1s²)

    Wegen der Erdbeschleunigung g=9,81 ~ 10 m/s² übt ein Gewicht von 1 kg eine Kraft von etwa 10 N auf seine Unterlage aus. Hat das Gewicht ein Grundfläche von 1m², so wirken gerade 10 N/m² Druck auf seine Unterlage. Ein Gewicht von 2.000 t würde gerade mal 20.000 N/m² Druck ausüben; das ist noch nicht genug für die beschriebene Stempelzelle... die dürfte eher bei 200.000.000 N /m² liegen. Die beschriebenen 2000 t wirken also (wahrscheinlich) auf einen einzigen Quadratzentimeter!

    Das ist plausibel, denn bei einer Gesteinsdichte von ca. 3g / cm³ reicht schon eine Säule von 1 cm x 1 cm x 5000 km, um einen Druck von 1.500 t / cm² zu erzeugen. Diese Dichte besitzt das Gestein jedoch nur in der Unterkruste; darunter in Richtung Erdkern nimmt sie noch gewaltig zu.

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  3. "Das Wasser steigt nach oben zur heißen Unterseite der Kontinentalplatte und heizt dort die Gesteinschmelze weiter an."

    Das Wasser heizt nicht so sehr an, sondern bildet mit ansonsten wasserarmen Mineralgemischen, die noch bei relativ niedrigen Temperaturen von unter 1.000°C fest sind, leichter schmelzbare Mischungen ("Eutektika"), die schon bei ca. 800°C Magmen bilden und sich langsam durch die Kruste nach oben durchschmelzen. Dabei differenzieren sie sich wieder aus in Teilmagmen und Lösungen von Mineralien in überkritischem Wasser, die alle möglichen hübschen Dinge in der Kruste hinterlassen: Gnubbelige erkaltete Magmenkörper ("Plutone"), z.T. edelsteinführende Kluftfüllungen und Gänge mit Riesenkristallen aus Feldspäten und Quarz, Erzlagerstätten (z.B. auf hydrothermalen Gängen oder untermeerisch auskristallisierten Gelen), und - falls das Magma auf Zerrspalten in Scherzonen trifft - aktiven Vulkanen.

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  4. Sehr fasszinierend ist der Gedanke, dass alleine durch den hohen Druck im Erdinneren diese hohen Temperaturen von mehreren 1000°C entstehen.
    Könnte man die Energie aus der Erdwärme flächendeckend nutzbar machen, hätte man wohl eine gradezu unerschäpfliche Energiequelle. Auch die Verfestigung des Erdinneren, zu der das Abzapfen der Wärme in weiter Zukunft führen würde, sollte vernachlässigbar sein, immerhin beeinflussen wir das Wetter durch Abzapfen von Windenergie auch nur marginal ;-) Vielleicht brechen dadurch sogar weniger Vulkane aus :-D
    Schade, dass diese Energiequelle nur schwer nutzbar ist, sie könnte unsere Energieprobleme wunderbar lösen...

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    da müssen keinen neuen Tiefenbohrrekorde aufgestellt werden, sondern nach sorgfältiger, geologischer Vorerkundung und Standortsuche gezielt das jetzt schon nutzbare Potential ausgeschöpft werden und das ist beachtlich.

    Hier nur drei links zum Thema tiefe Geothermie:
    http://www.thema-energie....
    http://www.focus.de/wisse...
    http://www.geothermie-nac...
    http://www.planet-wissen....

    oberflächenahe Geothermie:
    http://www.ingenieur.de/F...

  5. Nach meinem physikalischen Verständnis müsste im Erdmittelpunkt mehr oder weniger Schwerelosigkeit herrschen, denn dort neutralisieren sich die Gravitationskräfte. Schließlich ist die Erdmasse in alle Richtung gleichmässig um den Mittelpunkt herum verteilt.

    Insofern kann man wohl nicht so einfach davon sprechen, dass der Druck mit zunehmender Tiefe linear ansteigt?

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    • Varech
    • 11. April 2013 3:32 Uhr

    ... könnte das "Feste" im Inneren auch gleich noch eine grosse Leere sein.

    • Kiira
    • 10. April 2013 11:20 Uhr

    "Der Muskovit ändert seine Zusammensetzung, bildet zum Teil neue Minerale und gibt dabei so viel Wasser ab, dass er optimal an die 100-Kilometer-Bedingungen angepasst ist."

    Nicht einmal Menschen reagieren unter Druck immer so clever. Gibt es Leben in der Tiefe?

    • Varech
    • 11. April 2013 3:32 Uhr

    ... könnte das "Feste" im Inneren auch gleich noch eine grosse Leere sein.

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  6. da müssen keinen neuen Tiefenbohrrekorde aufgestellt werden, sondern nach sorgfältiger, geologischer Vorerkundung und Standortsuche gezielt das jetzt schon nutzbare Potential ausgeschöpft werden und das ist beachtlich.

    Hier nur drei links zum Thema tiefe Geothermie:
    http://www.thema-energie....
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    http://www.planet-wissen....

    oberflächenahe Geothermie:
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    Antwort auf "Erdwärme und Druck"
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    • Zzzzeit
    • 21. November 2014 19:11 Uhr

    Das Warme wasser der Zeche Zollverein wird zum Temperieren der “Zollverein school” verwendet. Eine geniale Idee!

    http://p57313.typo3server...

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  • Schlagworte Geologie | Forschung | Wissenschaft | Planet | Geophysik
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