Erdmantel

Eine jahrzehntelange Suche, um in den Erdmantel zu bohren, könnte bald auf Lohndreck treffen | Wissenschaft

Anfang Frühjahr 1961, a Gruppe von Geologen begann ein Loch zu bohren in den Meeresboden vor der Pazifikküste von Baja California. Die Expedition, die erste ihrer Art, war die Anfangsphase eines Projekts, das darauf abzielte, die Erdkruste zu durchdringen und den darunter liegenden Erdmantel zu erreichen. Sie wussten nicht, dass ihre Bemühungen bald überschattet werden würden, als John F. Kennedy im Mai dieses Jahres den Wettlauf zum Mond startete.

Ende 1972, nach Milliarden von Dollar ausgeben und durch die gemeinsame Anstrengung von Tausenden von Wissenschaftlern und Ingenieuren landeten sechs Apollo-Missionen auf dem Orbitalbegleiter der Erde und brachten mehr als 841 Pfund von Mondgestein und Erde.

In der Zwischenzeit gingen die erdgebundenen Geologen, die davon träumten, einen Einblick in das Innenleben der Erde zu bekommen, mit den Überresten verschiedener Programme dank Budgetkürzungen .





Seit den 1960er Jahren haben Forscher versucht, in den Erdmantel zu bohren, waren aber noch nicht erfolgreich. Einige Versuche scheiterten an technischen Problemen; andere sind verschiedenen Arten von Pech zum Opfer gefallen – einschließlich, wie im Nachhinein entdeckt wurde, unpassende Stellen zum Bohren auszuwählen. Nichtsdestotrotz haben diese Bemühungen gezeigt, dass die Technologie und das Know-how zum Bohren in den Mantel vorhanden sind. Und nun bohrt sich die erste Phase des jüngsten Versuchs, diesen wichtigen Teil unseres Planeten zu erreichen, durch einen dünnen Abschnitt der Meereskruste im südwestlichen Indischen Ozean.

Keine Sorge: Wenn die Bohrer schließlich den Mantel durchbohren, quillt kein heißes geschmolzenes Gestein durch das Loch und ergießt sich bei einem Vulkanausbruch auf den Meeresboden. Obwohl Mantelsteine ​​​​fließen, tun sie dies mit einer Geschwindigkeit, die der Wachstumsrate eines Fingernagels ähnelt, sagt Holly gegeben , einem Geophysiker an der Scripps Institution of Oceanography in San Diego.



Der Erdmantel ist der größte Teil dieses Planeten, den wir zu Hause nennen, doch wissen Wissenschaftler durch direkte Analysen relativ wenig darüber. Die dünne Kruste, auf der wir leben, macht ungefähr ein Prozent des Erdvolumens . Der innere und äußere Kern – feste und flüssige Massen, die größtenteils aus Eisen, Nickel und anderen dichten Elementen bestehen – nehmen nur 15 Prozent des Planetenvolumens ein. Der Mantel, der zwischen dem äußeren Kern und der Kruste liegt, macht schätzungsweise 68 Prozent der Masse des Planeten und satte 85 Prozent seines Volumens aus.

Stellen Sie sich den Mantel als eine planetengroße Lavalampe vor, bei der das Material an der Kern-Mantel-Grenze Wärme aufnimmt, weniger dicht wird und in Auftriebswolken zum unteren Rand der Erdkruste aufsteigt und dann an dieser Decke entlang fließt, bis es abkühlt und sinkt zurück zum Kern. Die Zirkulation im Mantel ist außergewöhnlich träge: Nach einer Schätzung könnte ein Hin- und Rückweg von der Kruste zum Kern und wieder zurück dauern so lange wie 2 Milliarden Jahre .

Es ist wichtig, einen unberührten Teil des Erdmantels zu erhalten, da dies den Planetenwissenschaftlern helfen würde, die Rohstoffe besser zu ermitteln, aus denen die Erde in jungen Jahren unseres Sonnensystems gebildet wurde. Es wäre Bodenwahrheit für das, woraus die Welt besteht, sagt Given. Seine Zusammensetzung würde auch Hinweise darauf geben, wie sich die Erde ursprünglich gebildet hat und wie sie sich zu der vielschichtigen Kugel entwickelt hat, die wir heute bewohnen, sagt sie.



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Wissenschaftler können auch ohne Probe viel über den Mantel sagen. Die Geschwindigkeiten und Wege von Erdbeben erzeugten seismischen Wellen, die den Planeten durchqueren, geben Aufschluss über die Dichte, Viskosität und die allgemeinen Eigenschaften des Mantels sowie darüber, wie diese Eigenschaften von Ort zu Ort variieren. Ebenso die Geschwindigkeit, mit der die Erdkruste nach oben springt, nachdem sie von massiven Eisschilden belastet wurde, die kürzlich (in geologischer Hinsicht) geschmolzen sind.

Messungen der Magnet- und Gravitationsfelder unseres Planeten liefern noch mehr Informationen und grenzen die Arten von Mineralien ein, die in der Tiefe gefunden werden können, sagt Walter Munk , ein physikalischer Ozeanograph bei Scripps. Der heute 98-jährige Wissenschaftler gehörte zu einer kleinen Gruppe von Forschern, die 1957 erstmals auf die Idee kam, in den Erdmantel zu bohren. Aber diese indirekten Methoden können einem Wissenschaftler nur bedingt viel sagen, bemerkt er. Es gibt keinen Ersatz dafür, einen Teil dessen, was Sie analysieren möchten, in Ihren Händen zu halten.

Forscher tun haben Proben des Mantels in der Hand, aber sie sind nicht makellos. Einige von ihnen sind Gesteinsbrocken, die von ausbrechenden Vulkanen an die Erdoberfläche getragen werden. Andere wurden durch zerknitternde Kollisionen zwischen tektonischen Platten nach oben gehievt. Wieder andere sind entlang der sich langsam ausbreitenden mittelozeanischen Rücken bis zum Meeresboden aufgestiegen, sagen Geologenologist Henry Dick und Chris MacLeod . Dick von der Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts und MacLeod von der Cardiff University in Wales sind Co-Leiter der Tiefbohrexpedition, die gerade im südwestlichen Indischen Ozean endet.

Alle aktuellen Mantelproben wurden durch die Prozesse verändert, die sie an die Erdoberfläche brachten, der Atmosphäre ausgesetzt oder für längere Zeit in Meerwasser getaucht wurden – möglicherweise alle der oben genannten. Diese Mantelproben, die Luft und Wasser ausgesetzt waren, haben wahrscheinlich einige ihrer leichter löslichen ursprünglichen chemischen Elemente verloren.

Daher der große Wunsch, ein unbeflecktes Stück Mantel zu bekommen, sagt Dick. Sobald sie verfügbar waren, konnten Wissenschaftler die chemische Gesamtzusammensetzung einer Probe sowie ihre Mineralogie analysieren, die Dichte des Gesteins beurteilen und bestimmen, wie leicht es Wärme und seismische Wellen leitet. Die Ergebnisse könnten mit den aus indirekten Messungen abgeleiteten Werten verglichen werden, um diese Techniken zu validieren oder zu bestreiten.

Das Bohren bis zum Mantel würde Geologen auch einen Blick auf die sogenannte Mohorovičić-Diskontinuität, kurz Moho, geben. Oberhalb dieser mysteriösen Zone, die nach dem kroatischen Seismologen benannt wurde, der sie 1909 entdeckte, breiten sich seismische Wellen mit einer Geschwindigkeit von etwa 7 Meilen pro Sekunde aus, eine Geschwindigkeit, die mit diesen Wellen übereinstimmt, die durch Basalt oder gekühlte Lava wandern. Unterhalb des Moho reißen die Wellen mit einer Geschwindigkeit von etwa 8 km pro Sekunde dahin, ähnlich der Geschwindigkeit, mit der sie sich durch ein silikaarmes magmatisches Gestein namens Peridotit bewegen. Das Moho liegt normalerweise dazwischen 3 bis 6 Meilen unter dem Meeresboden und irgendwo zwischen 12 bis 56 Meilen unter den Kontinenten.

Diese Zone wurde lange Zeit als Kruste-Mantel-Grenze angesehen, in der das Material allmählich abkühlt und an der darüber liegenden Kruste klebt. Einige Laborstudien legen jedoch nahe, dass Moho die Zone darstellt, in der Wasser, das aus der darüber liegenden Kruste sickert, mit Mantelperidotiten reagiert, um eine Art Mineral namens Serpentin zu bilden. Diese Möglichkeit ist aufregend, schlagen Dick und MacLeod vor. Die geochemischen Reaktionen, die Serpentin erzeugen, produzieren auch Wasserstoff, der dann mit Meerwasser reagieren kann, um Methan zu produzieren, eine Energiequelle für einige Arten von Bakterien. Oder, so die Forscher, der Moho könnte etwas anderes sein, das der Wissenschaft völlig unbekannt ist.

Der Schlüssel zum Entschlüsseln der Geheimnisse des Mantels besteht darin, den richtigen Ort zum Bohren zu finden. Mantelmaterial steigt an mittelozeanischen Rücken zum Meeresboden auf, wo sich tektonische Platten langsam auseinanderdrücken. Aber diese Proben gehen einfach nicht. Die Arbeit durch einige Meilen der Kruste unter dem Meeresboden verändert das Material erheblich und macht die Mantelprobe nicht repräsentativ für das, was sich tief in der Erde befindet. Und auch an einem dieser Grate tiefer zu bohren sei problematisch, sagt Dick. An einem Ozeanrücken oder seinen unmittelbaren Flanken ist die Kruste zu heiß, um mehr als etwa ein oder zwei Kilometer zu bohren.

Also bohren er und seine Kollegen an einer Stelle im südwestlichen Indischen Ozean namens Atlantis Bank, die etwa 808 Meilen südöstlich von Madagaskar liegt. Viele Faktoren machen dieses Gebiet zu einem ausgezeichneten Ort für die Expedition, um zu bohren, sagt Dick.

Die Strukturgeologin Carlotta Ferrando untersucht einige Kerne auf Brüche und Adern, die ihr sagen können, ob das Gestein verformt wurde.(Bill Crawford, IODP JRSO)

Die winzigen, deformierten Mineralkörner in dieser Probe der unteren Kruste, dünn geschnitten und zwischen Materialien eingeklemmt, so dass sie polarisiertes Licht durchlassen, dokumentieren, wie das teilweise geschmolzene Gestein gequetscht und gedehnt wurde, als es in der Atlantis Bank zum Meeresboden stieg.(Bill Crawford, Internationales Ozean-Entdeckungsprogramm)

Der Geologe James Natland (links) und die Expeditions-Co-Chefwissenschaftler Henry Dick (Mitte) und Chris MacLeod (rechts) sehen sich den nach Ansicht des Teams breitesten Bohrkern an, der jemals durch das Ozeanbohrprogramm gewonnen wurde.(Benoit Ildefonse, IODP)

Zum einen liegt dieser Denver-große Fleck Meeresboden auf einer etwa 11 Millionen Jahre alten Meereskruste, was ihn kühl genug macht, um hineinzubohren. Zum anderen ist die Spitze des Ufers ein 9,7 Quadratmeilen großes Plateau, das sich innerhalb von 2.300 Fuß von der Meeresoberfläche befindet. Das macht das Anzapfen des Meeresbodens dort im Gegensatz zum 3,7 Meilen tiefen Meeresboden in der Nähe zu einem Kinderspiel. Starke Meeresströmungen in der Gegend haben verhindert, dass sich Sedimente auf dem Meeresboden ansammeln, wodurch die Kruste dort weitgehend freigelegt bleibt. Es ist auch relativ dünn – eine frühere seismische Untersuchung des Gebiets ergab, dass die Kruste dort nur 2,5 Meilen dick ist.

Darüber hinaus bildete sich die Meereskruste unter der Atlantis Bank an einem Abschnitt des mittelozeanischen Rückens, wo sich die oberen Schichten der entstehenden Kruste in eine Richtung vom Riss ausbreiteten, während sich die unteren Schichten in die andere Richtung bewegten. Wissenschaftler sind sich noch nicht sicher, wie oder warum dies geschah. Aber aufgrund dieser sogenannten asymmetrischen Ausbreitung, die wahrscheinlich an einem erheblichen Teil der mittelozeanischen Rücken der Welt auftritt, ist die Atlantis Bank nicht mit spröden Schichten der oberen Kruste bedeckt, die beim Bohren zerbrechen und in ein Loch fallen können , sagt Dick. Solche Ablagerungen können den Bohrer beschädigen oder zum Festfressen führen und es erschweren, kleinere Gesteinsbrocken und Schlamm aus dem Bohrloch zu spülen.

Trotz der Vorteile der Bohrungen bei Atlantis Bank hat die Expedition Rückschläge erlitten, die bei vielen Meeresbohrprojekten üblich sind. Probleme beim Beladen des Schiffes verzögerten die Abfahrt des Teams aus Colombo, Sri Lanka, um einen Tag. Vor Ort zerbrach das Team einen Bohrer, aber bevor sie die Teile aus ihrem Loch fischen konnten, mussten sie ihre Sachen packen und ein krankes Besatzungsmitglied nach Norden in Richtung Mauritius bringen, um einen landgestützten Hubschrauber für eine medizinische Evakuierung zu treffen. Das Schiff namens JOIDES Entschließung, kehrte nach fast einer Woche zurück und musste dann ein paar Tage damit verbringen, einen starken Magneten zu verwenden, um die Teile ihres abgebrochenen Bohrers zu bergen.

Sie haben diese fehlenden Teile nie gefunden. Aber während eines letzten Versuchs, mit einem starken Vakuum zu versuchen, sie zu schlürfen, brachte die Expedition zurück, was möglicherweise die may Stückchen Meereskruste mit dem größten Durchmesser, das jemals geborgen wurde . Der Zylinder aus dunklem, grobkörnigem Gestein, Gabbro genannt, ist 7 Zoll groß – dreimal so groß wie normal – und 20 Zoll lang.

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Die Zieltiefe des Teams für diese Expedition lag bei 4.265 Fuß in der Kruste, knapp auf halbem Weg zum Mantel. Leider hatten die Bohrungen am 22. Januar nur eine Tiefe von 2.330 Fuß unter dem Meeresboden erreicht.

Bis zur Veröffentlichung dieses Artikels werden die Bohrarbeiten bei Atlantis Bank abgeschlossen sein – für diesen Abschnitt des Projekts. Ein zweiter, bereits genehmigter Teil der Mission würde die Aufgabe hoffentlich abschließen und den Mantel erschließen. Aber das könnte in zwei bis fünf Jahren so weit sein. Der Wettbewerb um Schiffszeit durch andere Teams, die anderswo auf der Welt bohren möchten, ist hart, sagt Dick.

Das Wissenschaftsteam werde die erste Phase dieses Projekts jedoch nicht mit leeren Händen verlassen, sagt MacLeod. Die Gewinnung von Proben aus der gesamten Erdkruste ist ebenfalls wichtig. Wir haben keine Ahnung, wie die Hauptzusammensetzung der Ozeankruste irgendwo auf der Welt ist, sagt Dick. Gesteine ​​mit niedrigerer Kruste, die zuvor von anderen Tiefbohrstellen geborgen wurden, entsprachen nicht den Erwartungen der Forscher, sagt er.

Das Atlantis Bank-Projekt würde einen Einblick in die chemische Zusammensetzung der unteren Kruste geben. Und ein vollständiges Profil durch die gesamte Schicht würde den Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie Magmen dort chemisch und physikalisch umgewandelt werden – einschließlich der Kristallisation von Mantelgestein und der Anlagerung an der unteren Oberfläche der Kruste.

Sobald die Forscher schließlich ihre Mantelprobe erhalten, können andere Teams das Projekt mit eigenen Experimenten begleiten, sagt MacLeod. Zukünftige Expeditionen könnten in den kommenden Jahren Instrumente ins Loch fallen lassen. Seismologen können beispielsweise Sensoren in das kilometertiefe Loch schicken und dann die Geschwindigkeiten seismischer Wellen, die durch die Erdkruste pulsieren, direkt messen, anstatt sie durch Labortests an kleinen Gesteinsproben abzuleiten. Forscher können auch eine Reihe von Temperatursensoren in das Loch senken, um den Wärmefluss aus dem Inneren unseres Planeten zu messen.

Zweifellos werden die Proben von Meereskruste und -mantel, die schließlich aus der Atlantis Bank geborgen wurden, sowie die aus dem zurückgelassenen Loch gesammelten Daten Geologen und Geophysiker noch jahrzehntelang beschäftigen. Aber Geduld ist eine Tugend, und ihre Zeit abzuwarten ist das, was Dick, MacLeod und ihre geophysikalischen Brüder seit Jahrzehnten tun.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um die Zuschreibung einer seismischen Untersuchung der Atlantis Bank zu korrigieren.





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