{"id":10032,"date":"2016-10-20T10:04:21","date_gmt":"2016-10-20T08:04:21","guid":{"rendered":"http:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=10032"},"modified":"2016-10-25T09:13:08","modified_gmt":"2016-10-25T07:13:08","slug":"botschafter-aus-dem-inneren-der-erde","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/botschafter-aus-dem-inneren-der-erde\/","title":{"rendered":"Botschafter aus dem Inneren der Erde"},"content":{"rendered":"
\"Horst
Horst Marschall bei seinem Forschungsaufenthalt in der Antarktis. Das Foto hat sein Gel\u00e4nde-Assistent Sune Tamm geschossen \u2013 f\u00fcr zweieinhalb Monate die einzige menschliche Gesellschaft.<\/figcaption><\/figure>\n

Horst Marschall erforscht Gesteine, die tief aus dem Erdmantel kommen. Dazu arbeitet der neue Wilhelm-Heraeus-Stiftungsprofessor eng mit der Physik zusammen. Am 7. November stellt er sein Forschungsgebiet vor.<\/strong><\/em><\/p>\n

Im B\u00fcro von Horst Marschall stapeln sich Kisten. Die Holzkisten links neben dem Eingang sind mit der Aufschrift \u201eWHOI\u201c versehen. Das steht f\u00fcr Woods Hole Oceanographic Institution, ein Meeresforschungsinstitut auf der Halbinsel Cape Cod an der amerikanischen Ostk\u00fcste, direkt am Meer. Horst Marschall zeichnet die K\u00fcstenlinie auf sein neues Whiteboard und markiert die Position des WHOI mit einem Kreuz. S\u00fcdlich davon liegen die Inseln Martha\u2019s Vineyard und Nantucket.<\/p>\n

Das klingt nach Sommerferien in Neu England. Der Petrologe und Geochemiker Horst Marschall hat dort in den letzten sechs Jahren die Entstehung der Erdkruste und die Bewegungen des Erdmantels (Mantelkonvektion) erforscht. Viele dieser Prozesse zeichnen sich auf dem Meeresboden ab, beispielsweise dort, wo Vulkane oder schwarze Raucher mit ihren schwefelhaltigen Gasen von den gewaltigen Dr\u00fccken und der Hitze im Erdkern zeugen.<\/p>\n

In den Holzkisten lagern die Gesteinsproben, die Marschall w\u00e4hrend dieser Zeit gesammelt hat. An der rechten Zimmerwand warten blaue Plastikbeh\u00e4lter mit Proben, die er w\u00e4hrend seiner Forschungsreise in der Antarktis genommen hat, darauf, ausgepackt zu werden. Zweieinhalb Monate zeltete Marschall mit einem Kollegen, den er vorher nicht kannte, in einer der letzten von Menschen unber\u00fchrten Landschaften der Erde.<\/p>\n

\u201eHeute sind wir gute Freunde\u201c, sagt er. Hier ging (und geht) es um die Entstehung des antarktischen Kontinents und seine Beziehung zu den anderen S\u00fcdkontinenten (Afrika, S\u00fcdamerika, Indien, Australien), die bis vor 170 Millionen Jahren zusammen einen einzigen gro\u00dfen Kontinent bildeten. Die beiden Forscher haben dort viele der Gesteine erstmals altersdatiert und Reste von bis zu 3500 Millionen Jahre alten Gesteinen gefunden.<\/p>\n

In den Schubladen des B\u00fcros im Institut f\u00fcr Geowissenschaften mit Blick auf die Frankfurter Skyline lagert eine Sammlung d\u00fcnn geschliffener Gesteinsproben \u2013 so d\u00fcnn, dass man mit einem Mikroskop hindurchschauen kann. Und in den Vitrinen h\u00fctet der Forscher versteinerte Sch\u00e4tze aus seiner Kindheit und Jugend in M\u00fcnster, wo er in seiner Freizeit Fossilien sammelte. Er studierte Geowissenschaften an der Universit\u00e4t Heidelberg und schloss nach dem Diplom eine Doktorarbeit an.<\/p>\n

Nach der Promotion (2005) ging er mit einem Marie Curie-Stipendium als Postdoktorand an die Universit\u00e4t Bristol. Zwei Jahre sp\u00e4ter erhielt er dort eine Stelle als \u201eResearch Assistant\u201c. 2010 siedelte er dann mit seiner Frau, die ebenfalls Geologin ist, und den beiden T\u00f6chtern an das Woods Hole Oceanographic Institution. Dort hatte er eine Stelle als \u201eAssociate Scientist\u201c im Fachbereich Geologie und Geophysik. An der Goethe-Universit\u00e4t bekleidet Horst Marschall seit 1. September die neu geschaffene Wilhelm-Heraeus-Stiftungsprofessur.<\/p>\n

Sie konnte dank einer gro\u00dfz\u00fcgigen Spende der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung anl\u00e4sslich des 100-j\u00e4hrigen Jubil\u00e4ums der Universit\u00e4t eingerichtet werden. Ihr Ziel ist es, die Br\u00fccke zwischen der Physik und den Geowissenschaften an der Universit\u00e4t zu st\u00e4rken. Die Arbeitsgruppe von Horst Marschall begann bereits im Vorfeld seiner Berufung eine Kooperation mit Prof. Cornelius Krellner vom Kristall- und Materialforschungslabor der Goethe-Universit\u00e4t.<\/p>\n

Die Forscher wurden im Rahmen der Berufung und motiviert durch die Stiftung aufeinander aufmerksam. Krellner ist Experte f\u00fcr Supraleitung. Er z\u00fcchtet in seinem Labor hochreine Kristalle mit einer genau definierten Zusammensetzung. Der Ankn\u00fcpfungspunkt zur Arbeit von Horst Marschall ist die Petrologie \u2013 die Lehre von den Steinen. Marschall interessiert sich f\u00fcr die Entstehung nat\u00fcrlicher Minerale, insbesondere f\u00fcr die Reaktionsraten in Gesteinen.<\/p>\n

Ihre kristalline Struktur \u00e4ndert sich unter den extremen Dr\u00fccken und Temperaturen, die im Erdmantel herrschen. Beispielsweise tritt Kohlenstoff an der Erdoberfl\u00e4che als Graphit auf, wandelt sich aber unter einem Druck von 4 bis 5 Gigapascal (40.000 bis 50.000 Atmosph\u00e4ren), wie er in 150 Kilometern Tiefe herrscht, in Diamant um. F\u00fcr viele Minerale sind solche Umwandlungsreaktionen bekannt, und sie werden genutzt, um die Tiefe abzusch\u00e4tzen, aus der die Gesteine stammen, sowie die Temperaturen, denen sie ausgesetzt waren.<\/p>\n

[dt_quote type=“pullquote“ layout=“right“ font_size=“big“ animation=“none“ size=“2″]\u201eAlso die Frage: How many years can a mountain exist, before it is washed to the sea?\u201c<\/strong><\/em>[\/dt_quote]<\/p>\n

Weniger gut bekannt sind die Reaktionsraten f\u00fcr geologische Prozesse, also die Zeitr\u00e4ume, in denen beispielsweise eine Bergkette entsteht und wieder vergeht. \u201eAlso die Frage: How many years can a mountain exist, before it is washed to the sea?\u201c, zitiert Marschall Bob Dylan. Da viele solcher Prozesse in der Natur entweder in unzug\u00e4nglichen Tiefen oder \u00fcber Zeitr\u00e4ume von Hunderten bis Millionen von Jahren ablaufen, kann man sie nicht direkt messen.<\/p>\n

Aber es ist m\u00f6glich, sie im Labor auf kleinem Ma\u00dfstab zu simulieren. Hier setzt die Kooperation von Krellner und Marschall an. Die im Kristalllabor von Krellner gez\u00fcchteten Minerale werden im Hochdrucklabor der Geowissenschaften extrem hohen Dr\u00fccken und Temperaturen ausgesetzt, so dass die Umkristallisation und der Austausch von chemischen Elementen wie im Zeitraffer zu beobachten ist. Horst Marschall interessiert dies vor allem im Zusammenhang mit Gesteinen, die durch Plattentektonik und Mantelkonvektion aus den Tiefen des Erdmantels an die Oberfl\u00e4che getragen werden.<\/p>\n

Er zeigt einen etwa tennisballgro\u00dfen dunklen Stein, der erstaunlich schwer ist. \u201eDieser Stein war 50 Kilometer tief unter der Erde\u201c, erkl\u00e4rt er. Das ist eine Tiefe, die durch Bohrungen schon l\u00e4ngst nicht mehr zug\u00e4nglich ist. (Das 1996 abgeschlossene kontinentale Tiefbohrprogramm erreichte eine Tiefe von 9 Kilometern.) Wie kommen diese Boten aus dem Inneren der Erde an die Oberfl\u00e4che? Horst Marschall erkl\u00e4rt den Prozess mit einer Skizze am White Board:<\/p>\n

Im Erdinneren ist der fl\u00fcssige Erdkern, dann folgt der festen Erdmantel (30 bis 2900 Kilometer unter der Erdoberfl\u00e4che) und schlie\u00dflich die, im Verh\u00e4ltnis sehr d\u00fcnne, Erdkruste. Hei\u00dfes Gestein steigt durch den Erdmantel auf, beginnt aufgrund der Druckentlastung nahe der Oberfl\u00e4che zu schmelzen und schie\u00dft an Hotspots wie Hawaii, R\u00e9union oder aus Vulkanen auf dem Meeresboden an die Oberfl\u00e4che. An diesen Stellen wird die vorhandene Erdkruste auseinander gedr\u00fcckt und w\u00e4chst kontinuierlich.<\/p>\n

Die neu entstandene Kruste wandert langsam an der Oberfl\u00e4che entlang, bis sie sich schlie\u00dflich an einer anderen Plattengrenze unter eine andere Platte schiebt und wieder in den Erdmantel hinabgezogen wird. Das kostbare Gestein w\u00e4re unwiederbringlich verloren, g\u00e4be es in diesen sogenannten Subduktionszonen nicht ebenfalls vulkanische Aktivit\u00e4t und tektonisch Prozesse, die in Gl\u00fccksf\u00e4llen Proben aus gro\u00dfer Tiefe zur\u00fcck an die Erdoberfl\u00e4che bef\u00f6rdern.<\/p>\n

Aus einer solchen Zone stammt der Stein, den Marschall nun in Frankfurt mithilfe geochemischer Methoden untersuchen m\u00f6chte. Dazu wird die Probe in S\u00e4ure aufgel\u00f6st und im hochaufl\u00f6senden Massenspektrometer des Instituts f\u00fcr Geowissenschaften auf seine chemische Zusammensetzung und das Verh\u00e4ltnis der Isotope untersucht. Letzteres ist zum Beispiel f\u00fcr die Datierung der Proben wichtig.<\/p>\n

Die zweite Idee zu einer Kooperation mit der Physik beruht darauf, die bald fertiggestellte Neutronenquelle FRANZ zu nutzen, um die Transformation der Kristallgitter unter zunehmendem Druck direkt beobachten zu k\u00f6nnen. Bisher ist es so, dass die Proben im Hochdrucklabor gepresst und aufgeheizt werden, um die Verh\u00e4ltnisse in einer bestimmten Tiefe des Erdmantels zu simulieren. Dann schreckt man sie ab und analysiert die Struktur und die chemische Zusammensetzung der neu entstandenen Minerale mit Hilfe mikroanalytischer Methoden, die am Institut f\u00fcr Geowissenschaften zur Verf\u00fcgung stehen.<\/p>\n

[dt_quote type=“pullquote“ layout=“left“ font_size=“big“ animation=“none“ size=“2″]\u201eIch w\u00fcnsche mir, dass ich die Begeisterung f\u00fcr mein Fach in den Vorlesungen in den Studierenden erwecken beziehungsweise wachsen lassen kann […]“<\/strong><\/em>[\/dt_quote]<\/p>\n

Gemeinsam mit Oliver Meusel und dessen Kollegen vom Stern- Gerlach-Zentrum und dem Institut f\u00fcr Angewandte Physik m\u00f6chte Horst Marschall k\u00fcnftig versuchen, die Proben in der Presse mit Neutronen zu bestrahlen, und daraus, \u00e4hnlich wie mit der R\u00f6ntgenspektroskopie, die Kristallstruktur ableiten. Dabei k\u00f6nnte der Druck kontinuierlich erh\u00f6ht werden, so dass man wie mit einem Fahrstuhl in den Erdmantel hinabfahren w\u00fcrde.<\/p>\n

\u201eDer maximale Druck, den die Stempel der Pressen aus\u00fcben k\u00f6nnen, betr\u00e4gt 25 Gigapascal, was einer Tiefe von etwa 700 Kilometern entspricht. Aus der Analyse von Erdbebenwellen wissen wir, dass der \u00dcbergangsbereich zwischen dem oberen und unteren Erdmantel in etwa in dieser Tiefe liegt. Wir k\u00f6nnen also mit unseren Pressen in Frankfurt den gesamten Bereich der Kruste und des oberen Erdmantels simulieren.\u201c<\/p>\n

Und was w\u00fcnscht sich Horst Marschall f\u00fcr die n\u00e4chsten Jahre? \u201eIch w\u00fcnsche mir, dass ich die Begeisterung f\u00fcr mein Fach in den Vorlesungen in den Studierenden erwecken beziehungsweise wachsen lassen kann, und dass mir die zeitliche Balance zwischen Forschung und Lehre gelingt. Den ambitionierten Projekten, die ich mir vorgenommen habe, allen voran die Kollaboration mit den Arbeitsgruppen der Festk\u00f6rper- und angewandten Physik, sehe ich mit Spannung entgegen, denn hier k\u00f6nnte die besondere Konstellation zu einer wissenschaftlichen Symbiose f\u00fchren, die etwas wirklich Neues hervorbringt. Dies k\u00f6nnte auch durch die Impulse, die wir uns von den Gastprofessoren und -professorinnen erhoffen, noch verst\u00e4rkt werden. Ich hoffe, dass wir den Geowissenschaften in Frankfurt auf diese Weise international zu noch mehr Geltung verschaffen. Und nat\u00fcrlich hoffe ich, dass die Eintracht nicht absteigt.\u201c
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\nWilhelm-Heraeus-Stiftungsgastprofessur<\/strong>
\nUm die internationale Sichtbarkeit der Physik und Geophysik\/Geowissenschaften zu st\u00e4rken und die Vernetzung mit der internationalen Forschungsgemeinschaft zu f\u00f6rdern, finanziert die Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung zus\u00e4tzlich jedes Jahr eine Stiftungsgastprofessur, auf die abwechselnd ein Physiker und ein Geophysiker\/Geowissenschaftler berufen wird. Dieser lehrt und forscht dann einige Wochen an der Goethe-Universit\u00e4t.<\/p>\n

Die Stiftungsgastprofessur 2015 hatte der Physiker Prof. Anatoli Kheifets<\/strong> von der Australian National University in Canberra) inne. Er ist ein international herausragender Theoretiker, mit dem die Gruppe von Prof. Reinhard D\u00f6rner im Institut f\u00fcr Kernphysik der Goethe-Universit\u00e4t seit Jahren einen intensiven und fruchtbaren Austausch pflegt. \u201eDer dreiw\u00f6chige Besuch war sehr, sehr effektiv\u201c, sagt D\u00f6rner r\u00fcckblickend. Kheifets hatte noch seinen Mitarbeiter Vladimir Serov mitgebracht. \u201eBeide haben extrem viel mit den Studierenden und Doktoranden diskutiert, wir haben gemeinsame Projekt angeschoben.<\/p>\n

2016 war Prof. Renata M. Wentzcovitch<\/strong> von der University of Minnesota in Minneapolis zu Gast bei Prof. Bj\u00f6rn Winkler in der Mineralogie. Die Forscherin ist eine international f\u00fchrend auf bei der Erforschung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Geomaterialien. Mithilfe quantenmechanischer Modellrechnungen modelliert sie diese Materialien bei extremen Dr\u00fccken und Temperaturen. Prof. Wentzcovitch wurde f\u00fcr ihre bahnbrechenden Methodenentwicklungen und grundlegenden Entdeckungen bereits mehrfach ausgezeichnet, u.a. mit einem Alexander von Humboldt Forschungspreis.
\n[\/dt_call_to_action]<\/p>\n

Dieser Artikel ist in der Ausgabe 5.16 (PDF-Download)<\/a> des UniReport erschienen.<\/strong><\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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