Rätselhafte Merkmale tief im Erdinneren, beleuchtet durch hochauflösende Bildgebung

Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung der Universität Cambridge sind die ersten, die ein detailliertes Bild einer ungewöhnlichen Gesteinstasche an der Grenzschicht zum Erdkern, etwa dreitausend Kilometer unter der Oberfläche, aufnehmen.

Das rätselhafte Felsgebiet, das sich fast direkt unter den Hawaii-Inseln befindet, ist eine von mehreren Zonen mit extrem niedriger Geschwindigkeit – so genannt, weil Erdbebenwellen beim Durchqueren langsamer werden.

Die heute veröffentlichte Studie in Naturkommunikationist das erste, das die komplexe interne Variabilität einer dieser Taschen im Detail enthüllt und Licht auf die Landschaft des tiefen Erdinneren und die darin ablaufenden Prozesse wirft.

„Von allen Merkmalen des tiefen Erdinneren sind diese die faszinierendsten und komplexesten. Wir haben jetzt den ersten soliden Beweis, der ihre innere Struktur zeigt – das ist ein echter Meilenstein in der Seismologie der tiefen Erde“, sagte Hauptautor Zhi Li, Ph.D . Student am Department of Earth Sciences in Cambridge.

Das Innere der Erde ist geschichtet wie eine Zwiebel: In der Mitte sitzt der Eisen-Nickel-Kern, umgeben von einer dicken Schicht, dem Mantel, und darüber eine dünne äußere Hülle – die Kruste, auf der wir leben. Obwohl der Mantel aus festem Gestein besteht, ist er heiß genug, um extrem langsam zu fließen. Diese internen Konvektionsströme führen Wärme an die Oberfläche, treiben die Bewegung tektonischer Platten an und befeuern Vulkanausbrüche.

Wissenschaftler verwenden seismische Wellen von Erdbeben, um unter die Erdoberfläche zu sehen – die Echos und Schatten dieser Wellen offenbaren radarähnliche Bilder der tiefen inneren Topographie. Aber bis vor kurzem waren Bilder der Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze, einem Bereich von Schlüsselinteresse für die Untersuchung des inneren Wärmeflusses unseres Planeten, grobkörnig und schwer zu interpretieren.

Die Forscher verwendeten die neuesten numerischen Modellierungsmethoden, um Strukturen im Kilometermaßstab an der Kern-Mantel-Grenze aufzudecken. Laut Co-Autor Dr. Kuangdai Leng, der die Methoden während seines Studiums an der Universität Oxford entwickelt hat, „verschieben wir wirklich die Grenzen des modernen Hochleistungsrechnens für elastodynamische Simulationen, indem wir unbemerkt oder ungenutzt Wellensymmetrien nutzen.“ Leng, der derzeit beim Science and Technology Facilities Council tätig ist, sagte, dass dies bedeutet, dass sie die Auflösung der Bilder im Vergleich zu früheren Arbeiten um eine Größenordnung verbessern können.

Sie beobachteten eine 40-prozentige Verringerung der Geschwindigkeit seismischer Wellen, die sich an der Basis der Zone mit ultraniedriger Geschwindigkeit unter Hawaii ausbreiteten. Laut den Autoren unterstützt dies bestehende Vorschläge, dass die Zone viel mehr Eisen enthält als das umgebende Gestein – was bedeutet, dass sie dichter und träger ist. „Es ist möglich, dass dieses eisenreiche Material ein Überbleibsel alter Gesteine ​​aus der Frühgeschichte der Erde ist oder dass Eisen auf unbekannte Weise aus dem Kern austritt“, sagte Projektleiterin Dr. Sanne Cottaar von Cambridge Earth Sciences.

Die neue Forschung könnte Wissenschaftlern auch helfen zu verstehen, was darunter liegt und Vulkanketten wie die Hawaii-Inseln entstehen lässt. Wissenschaftler haben begonnen, eine Korrelation zwischen der Lage der Hotspot-Vulkane mit den bezeichnenden Namen, zu denen Hawaii und Island gehören, und den Zonen mit extrem niedriger Geschwindigkeit am Fuß des Mantels zu bemerken. Der Ursprung von Hotspot-Vulkanen wurde viel diskutiert, aber die populärste Theorie besagt, dass wolkenartige Strukturen heißes Mantelmaterial den ganzen Weg von der Kern-Mantel-Grenze an die Oberfläche bringen.

Mit den jetzt vorliegenden Bildern der Zone mit extrem niedriger Geschwindigkeit unter Hawaii kann das Team auch seltene physische Beweise von dem sammeln, was wahrscheinlich die Wurzel der Wolke ist, die Hawaii speist. Ihre Beobachtung von dichtem, eisenreichem Gestein unter Hawaii würde Oberflächenbeobachtungen stützen: „Basalte, die aus Hawaii ausbrechen, haben anomale Isotopensignaturen, die entweder auf einen Ursprung der frühen Erde oder auf Kernlecks hindeuten könnten, was bedeutet, dass sich etwas von diesem dichten Material angehäuft hat die Basis muss an die Oberfläche gezogen werden“, sagte Cottaar.

Es muss nun mehr von der Kern-Mantel-Grenze abgebildet werden, um zu verstehen, ob alle Oberflächen-Hotspots eine Tasche aus dichtem Material an der Basis haben. Wo und wie die Kern-Mantel-Grenze anvisiert werden kann, hängt davon ab, wo Erdbeben auftreten und wo Seismometer installiert sind, um die Wellen aufzuzeichnen.

Die Beobachtungen des Teams tragen zu einer wachsenden Zahl von Beweisen bei, dass das tiefe Innere der Erde genauso variabel ist wie ihre Oberfläche. „Diese Zonen mit niedriger Geschwindigkeit sind eines der kompliziertesten Merkmale, die wir in extremen Tiefen sehen – wenn wir unsere Suche ausweiten, werden wir an der Kern-Mantel-Grenze wahrscheinlich ein immer höheres Maß an Komplexität, sowohl strukturell als auch chemisch, sehen“, sagte Li .

Sie planen nun, ihre Techniken anzuwenden, um die Auflösung der Abbildung anderer Taschen an der Kern-Mantel-Grenze zu verbessern und neue Zonen zu kartieren. Schließlich hoffen sie, die geologische Landschaft über die Kern-Mantel-Grenze hinweg zu kartieren und ihre Beziehung zur Dynamik und Evolutionsgeschichte unseres Planeten zu verstehen.