Wir sitzen im Halbdunkel und blicken gespannt auf einen Bildschirm. Einen tiefen Blick ins Erdinnere hat man uns im Bayerischen Geoinstitut an der Universität Bayreuth versprochen. Dazu soll uns ein büfettgroßes Transmissionselektronenmikroskop (TEM) verhelfen. TEM-Experte Falko Langenhorst justiert das Gerät, und nun wird auf dem Bildschirm ein enges Linienraster erkennbar: der atomare Bauplan des Minerals Olivin bei zweimillionenfacher Vergrößerung. Olivin ist der Hauptbestandteil des oberen Erdmantels, der unter der Erdkruste liegt.

Langenhorst zeigt auf einen unregelmäßig geformten Einschluß im Linienmuster. "Unter dem mit der Tiefe zunehmenden Druck", erläutert er, "verwandelt sich Olivin in Hochdruckformen. Diese Minerale haben dieselbe chemische Zusammensetzung, doch ihre Bausteine sind dichter gepackt. Die Probe war im Labor einem Druck ausgesetzt, wie er in 550 bis 600 Kilometer Tiefe herrscht. Sie sehen hier den Beginn eines solchen Umwandlungsprozesses." Hier läßt sich erahnen, was im Bauch der Erde vor sich geht.

Da die tiefsten Bohrungen gerade mal zehn Kilometer ins Erdinnere hinabreichen, mußten Geowissenschaftler andere Wege suchen, dem unzugänglichen Forschungsobjekt zu Leibe zu rücken. Also holten sie das Erdinnere quasi ins Labor: Dort werden Gesteinsproben in gewaltigen hydraulischen Pressen Drücken und Temperaturen ausgesetzt, wie sie in großen Tiefen herrschen (siehe Grafik). "Mit neuentwickelten Methoden", sagt David Rubie, geschäftsführender Direktor des Geoinstituts, "erzeugen wir 260 Kilobar, das sind rund 260 000 Atmosphären, bei Temperaturen bis 2800 Grad Celsius. Das entspricht einer Erdtiefe von 700 Kilometern." Damit haben die Forscher nicht nur die Erdkruste, sondern auch den Oberen Erdmantel (bis 410 Kilometer) sowie die "Übergangszone" (bis 660 Kilometer) hinter sich gelassen und den Unteren Mantel erreicht.

Das Innere der Erde ist bis zum Kern hin zwar übersichtlich geschichtet, aber dennoch bewegt. Konvektionsströme im Mantel leiten Wärme aus dem Kern nach außen ab. Erhitztes Gestein dringt jährlich um Zentimeter aufwärts, speist Vulkane und treibt die driftenden Lithosphärenplatten an, aus denen die Kontinente und der Meeresgrund bestehen. Abgekühltes Gestein sinkt von oben wieder ab. Doch wie die Wärmekraftmaschine namens Erde funktioniert, ist in vielen Details noch ungeklärt. So wüßten die Geologen gern, ob die Konvektionsströme in einem Zug vom Kern bis unter die Lithosphärenplatten reichen. Oder ob zwei übereinanderliegende Kreislaufsysteme die Energie stufenweise hinaufbefördern: durch den Unteren Mantel das eine, durch Übergangszone und Oberen Mantel das andere. Nicht zuletzt wegen dieser Frage sind die Bayreuther Forscher froh, daß sie mit ihren drei tonnenschweren Pressen Drücke wie im Unteren Mantel erzeugen können, wenn auch das gepreßte Gestein nur jeweils wenige Kubikmillimeter mißt.

Um eine Kraft von 1000 bis 5000 Tonnen auf eine so kleine Probe zu konzentrieren, bedarf es einiger Raffinessen. In die zwei großen Stahlbacken, die gegeneinander bewegt werden, sind jeweils drei kleinere Stahlkörper eingelassen, die wiederum acht Würfel aus extrem hartem Wolframkarbid umschließen. Zwischen diesen steckt die eigentliche Druckzelle mit der Probe, einer Heizung und Meßelementen. So wird ein definiertes Gestein kontrollierten Druck- und Temperaturverhältnissen ausgesetzt.

Lohn der Mühen sind braune Krümel, denen die Forscher nun Geheimnisse der Erdtiefe zu entlocken trachten. In den Untersuchungen geht es etwa um chemische Zusammensetzung und Kristallstruktur, um Gleichgewichte zwischen verschiedenen Mineralen, elastische Eigenschaften, Fließverhalten oder Leitfähigkeit. Dies klingt banal, kann jedoch zu weitreichenden Schlüssen und Erkenntnissen führen, wie Hans Keppler vom Geoinstitut erklärt. So sollen nach gängigen Vorstellungen die ins Erdinnere abtauchenden Lithosphärenplatten praktisch kein Wasser in den Mantel transportieren. Dessen Minerale könnten kaum Wasser speichern. Untersuchungen in Bayreuth haben jedoch gezeigt, daß in der Übergangszone zwei bis drei Prozent Wasser aufgenommen werden können. Das würde genügen, ein Mehrfaches allen Wassers in den Ozeanen zu speichern. So wären die Ozeane viel stärker mit dem Erdinnern verbunden als bislang angenommen. In einer Periode schnellerer Plattenbewegungen könnte ihnen mehr, in einer trägeren Phase weniger Wasser entzogen werden, das mit einiger Verzögerung von Vulkanen wieder ausgestoßen wird. So ließen sich stark schwankende Meeresspiegel in der Vergangenheit erklären, die erhebliche Auswirkungen auf das globale Klima hatten.

Besonders beeindruckend in Bayreuth ist der Kontrast zwischen dem enormen technischen Aufwand und den winzigen Materialmengen, denen schließlich solche Erkenntnisse von erdumspannender Bedeutung abgerungen werden. "Aufgrund der starken Vergrößerungen und der geringen Dicke des Probenmaterials", schätzt Falko Langenhorst, "sind weltweit bislang wahrscheinlich weniger als ein Kubikmillimeter an Mineralproben mit dem TEM mikroskopiert worden." Läge die Erkenntnisdichte überall so hoch, sähe die Welt völlig anders aus.