Victor-Moritz-Goldschmidt-Preis an Johannes Buchen
Johannes Buchen studierte Mineralogie an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz und schloss 2018 seine Doktorarbeit am Bayerischen Geoinstitut in Bayreuth mit Auszeichnung ab. Von Oktober 2018 bis August 2021 war er Postdoctoral Scholar am Seismological Laboratory des California Institute of Technology (Caltech, USA), danach Postdoctoral Research Assistant an der University of Oxford (UK). Seit Mai 2023 ist er Junior-Professor am Bayerischen Geoinstitut.
Dr. Buchen ist ein Mineralphysiker, der mit Hilfe von Hochdruckexperimenten in der Diamantstempelzelle die Struktur und die Eigenschaften des tiefen Erdinneren untersucht.
Eines seiner Hauptziele sind Messungen, mit denen die Geschwindigkeit seismischer Wellen in Gesteinen der tiefen Erde bestimmt werden kann. Diese Daten sind essentiell für die Interpretation seismischer Messungen, die die wichtigste Informationsquelle über das Erdinnere sind.
Während seiner Promotion untersuchte Johannes Buchen, ob man Wasser in Mineralen der Übergangszone des Erdmantels anhand seismologischer Beobachtungen nachweisen kann. Wadsleyit, eines der wichtigsten Minerale in der Übergangszone, kann in seiner Kristallstruktur mehrere Gewichtsprozent an Wasser speichern. Daher wird seit langem vermutet, dass diese Region sehr wasserreich ist und dass das Wasser im Wadsleyit zu niedrigeren seismischen Wellengeschwindigkeiten führen würde. Johannes Buchen war in der Lage, den vollständigen elastischen Tensor von wasserhaltigem Wadsleyit unter hohem Druck zu messen, was aufgrund der geringen Symmetrie der Kristallstruktur an sich schon eine bemer-kenswerte Leistung ist. Er konnte weiter zeigen, dass im Gegensatz zu früheren Annahmen das im Mineral gelöste Wasser nur einen geringen Einfluss auf die seismischen Geschwindigkeiten in der Übergangszone hat. Jedoch können Unterschiede in der Stärke von seismischen Reflexionen in 410 km Tiefe zum Nachweis von Wasser genutzt werden. Dies ist eine bahnbrechende neue Erkenntnis, die es in Zukunft erlauben wird, ein sehr viel besseres Bild über die Verteilung von Wasser im tiefen Erdinneren zu erhalten.
In Kooperationen mit Seismologen untersuchte Johannes Buchen eine Reihe von Modellen, um die Reflexion seismischer Wellen an der 410-km-Diskontinuität im Mantel unter dem Nordatlantik zu verstehen. Nur ganz bestimmte chemische Zusammensetzungen könnten die Beobachtungen erklären. Oberhalb einer wasserreichen Übergangszone muss eine eisenreiche Schicht des oberen Mantels liegen. Die Studie zeigt eindrucksvoll, wie seismische Daten zusammen mit Modellen aus der Mineralphysik die physikalischen und chemischen Zustände im Erdinnern aufklären können.
In seinem kürzlich erschienenen Beitrag zur AGU Geophysical Monograph Series hat Johannes Buchen die erste umfassende Analyse der Auswirkungen von mineralischen und chemischen Veränderungen auf die seismischen Geschwindigkeiten im unteren Erdmantel vorgelegt. Er entwickelte einen neuen thermodynamischen Formalismus für die Be-
schreibung von Spin-Übergängen von Eisen in Mineralen des unteren Erdmantels. Mit diesem neuen Modell zeigt er, dass ein unterer Mantel mit Peridotit-Zusammensetzung Scherwellengeschwindigkeiten zur Folge hätte, die im Vergleich zu seismologischen Messungen zu hoch sind. Eine Möglichkeit ist, dass es im unteren Mantel SiO2-reiche und Eisen-arme Gebiete gibt, die dort verblieben sind, als der Mantel aus einem globalen Magmaozean kristallisierte. Dies würde auch erklären, warum der obere Mantel im Vergleich zu chondritischen Meteoriten SiO2-arm zu sein scheint.
Die Qualität und Tiefe dieser umfassenden Analyse zeigt deutlich, dass sich Dr. Buchen rasch zu einem führenden Experten auf dem Gebiet der Mineralphysik der tiefen Erde entwickelt hat.
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Hans Keppler • Bayreuth