Unter unseren Füßen, in Hunderten von Kilometern Tiefe, verbirgt sich eine unsichtbare, aber essentielle Welt: der Erdmantel. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, seine Struktur und Funktionsweise zu verstehen. Doch eine kürzliche Entdeckung stellt diese Sichtweise auf den Kopf, da eine unerwartete Struktur im Herzen des Mantels unter dem Pazifischen Ozean gefunden wurde.
Der Erdmantel, die Schicht zwischen der Erdkruste und dem Kern, ist Schauplatz langsamer, aber mächtiger Bewegungen. Diese Bewegungen, bekannt als Konvektion, sind für die Plattentektonik verantwortlich. Die dichteren ozeanischen Platten tauchen an Subduktionszonen in den Mantel ab, während heißes Material zur Oberfläche aufsteigt. Dieser Zyklus formt unseren Planeten seit Milliarden von Jahren.
Dank eines neuen Modells haben Forscher Bereiche im unteren Erdmantel identifiziert, in denen seismische Wellen sich langsamer (rot) oder schneller (blau) bewegen. Die große blaue Zone im westlichen Pazifik (rechts oberhalb der Bildmitte) war bisher unbekannt.
Grafik: Sebastian Noe / ETH Zürich Die Plattentektonik: Ein etabliertes Modell
Laut diesem Modell sollten subduzierte Platten in der Nähe von Subduktionszonen zu finden sein, wo sie in den Mantel abtauchen. Diese kalten und dichten Platten verändern die Geschwindigkeit seismischer Wellen, die sie durchqueren, was es Wissenschaftlern ermöglicht, sie zu lokalisieren.
Doch ein Team von Geophysikern der ETH Zürich hat Anomalien entdeckt. Diese Zonen, in denen sich seismische Wellen anders verhalten, deuten auf Materialien mit ungewöhnlicher Temperatur oder Zusammensetzung hin. Diese Funde stellen unser Verständnis der Manteldynamik infrage.
Eine innovative Technik zur Erforschung des Mantels
Um diese Ergebnisse zu erzielen, verwendeten die Forscher eine innovative Methode namens Full Waveform Inversion (vollständige Wellenforminversion). Im Gegensatz zu traditionellen Techniken, die sich auf einen einzigen Wellentyp konzentrieren, analysiert dieser Ansatz alle von Erdbeben erzeugten Wellen.
Diese Methode, die deutlich präziser ist, ermöglicht die Rekonstruktion eines detaillierten Bildes des Erdinneren. So konnten die Forscher Anomalien in Bereichen identifizieren, in denen frühere Modelle nichts fanden. Dieser technologische Fortschritt wurde durch den Einsatz des Supercomputers Piz Daint möglich, der riesige Datenmengen verarbeiten kann.
Anomalien, wo man sie nicht erwartete
Dank dieser hochauflösenden Modellierung haben die Forscher anomale Zonen unter dem westlichen Pazifik identifiziert, weit entfernt von bekannten Subduktionszonen. Diese Anomalien könnten Überreste alter Platten oder Ansammlungen von eisen- oder siliziumreichen Gesteinen sein.
Diese Ergebnisse, veröffentlicht in
Scientific Reports, zeigen, dass der Erdmantel weitaus komplexer ist als angenommen. Die Wissenschaftler kennen den genauen Ursprung dieser Anomalien noch nicht, aber sie könnten von Materialien stammen, die vor vier Milliarden Jahren bei der Entstehung der Erde gebildet wurden.
Auf dem Weg zu einem neuen Verständnis der Erde
Um diese Entdeckungen zu erklären, ziehen die Forscher mehrere Hypothesen in Betracht. Diese Anomalien könnten Überreste alter tektonischer Platten sein oder Zonen, in denen sich eisenreiche Gesteine im Laufe der Zeit angesammelt haben.
Diese Arbeiten ebnen den Weg für weitere Forschungen, um die Modelle des Erdmantels zu verfeinern. Sie erinnern uns daran, dass unser Planet noch viele Geheimnisse birgt, insbesondere in seinen unzugänglichen Tiefen.
Weiterführende Informationen: Was ist Full Waveform Inversion?
Die Full Waveform Inversion (vollständige Wellenforminversion) ist eine fortschrittliche Technik in der Geophysik, die zur Untersuchung der inneren Struktur der Erde eingesetzt wird. Sie funktioniert ähnlich wie eine medizinische Ultraschalluntersuchung, jedoch in planetarem Maßstab. Während Ärzte Ultraschall verwenden, um Organe ohne chirurgischen Eingriff zu visualisieren, analysieren Geophysiker seismische Wellen, um die Tiefen der Erde zu kartieren, ohne zu bohren.
Diese Methode geht über traditionelle Techniken hinaus, die sich auf einen einzigen Wellentyp beschränken. Sie untersucht alle von Erdbeben erzeugten Wellen und liefert ein viel präziseres und detaillierteres Bild. Ähnlich wie eine MRT Details zeigt, die im Standard-Ultraschall unsichtbar sind, offenbart dieser Ansatz subtile Anomalien im Erdmantel.
Dank dieser Technik haben Wissenschaftler unerwartete Gesteinszonen entdeckt. Diese Anomalien, die weit entfernt von Subduktionszonen liegen, stellen unser Verständnis der inneren Dynamik der Erde infrage. Durch die Kombination von Rechenleistung und präziser Wellenanalyse öffnet diese Methode ein neues Fenster zu den Geheimnissen unseres Planeten.
Was ist der Erdmantel?
Der Erdmantel ist eine Zwischenschicht zwischen der Erdkruste und dem Erdkern. Er erstreckt sich über etwa 2.900 Kilometer und macht fast 84 % des Volumens unseres Planeten aus. Hauptsächlich aus silikatischen Gesteinen mit hohem Eisen- und Magnesiumgehalt bestehend, spielt er eine zentrale Rolle in der Dynamik der Erde.
Obwohl fest, verhält sich der Mantel auf geologischen Zeitskalen wie eine zähflüssige Flüssigkeit. Dieses Phänomen, bekannt als Mantelkonvektion, verursacht langsame, aber mächtige Bewegungen, die die Plattentektonik, Erdbeben und vulkanische Aktivität beeinflussen. Diese Bewegungen werden durch die Wärme aus dem Erdkern angetrieben.
Der Mantel ist in zwei Teile unterteilt: den oberen und den unteren Mantel. Der obere Mantel, näher an der Oberfläche, ist der Ort der Bildung und des Recyclings tektonischer Platten. Der untere Mantel, dichter und heißer, bleibt aufgrund seiner Unzugänglichkeit noch weitgehend unverstanden.
Die Erforschung des Erdmantels basiert auf indirekten Methoden wie der Analyse seismischer Wellen. Diese Techniken ermöglichen es, seine Struktur zu kartieren und seine Rolle in der geologischen Entwicklung der Erde besser zu verstehen.
Was ist Plattentektonik?
Die Plattentektonik ist eine wissenschaftliche Theorie, die die Struktur und Bewegungen der Erdoberfläche erklärt. Nach dieser Theorie ist die Lithosphäre (die starre äußere Schicht der Erde) in mehrere tektonische Platten unterteilt, die auf dem zähflüssigen Mantel schwimmen und sich langsam bewegen. Diese Bewegungen sind verantwortlich für große geologische Phänomene wie Erdbeben, Vulkanausbrüche und die Bildung von Gebirgen.
Tektonische Platten interagieren auf verschiedene Weise miteinander. Sie können sich voneinander entfernen (Divergenz), aufeinander zu bewegen (Konvergenz) oder aneinander vorbeigleiten (Transformstörungen). Diese Interaktionen schaffen Subduktionszonen, an denen eine Platte unter eine andere abtaucht, und ozeanische Rücken, an denen neue Kruste entsteht.
Die Plattentektonik wird durch die innere Wärme der Erde angetrieben, die Konvektionsbewegungen im Mantel verursacht. Diese Bewegungen schieben die Platten mit einigen Zentimetern pro Jahr voran und gestalten die Oberfläche des Planeten über Millionen von Jahren kontinuierlich neu.
Diese Theorie, die in den 1960er Jahren formuliert wurde, hat unser Verständnis der Geologie revolutioniert. Sie erklärt nicht nur die Verteilung der Kontinente und Ozeane, sondern auch die Entwicklung der Erde über geologische Zeitalter hinweg.
Autor des Artikels: Cédric DEPOND
Quelle: ETH Zürich