Das schwere Erdbeben von 1994 in Bolivien enthüllt Gebirge in einer Tiefe von 660 Kilometern

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In einer in dieser Woche in Science veröffentlichten Studie nutzten die Geophysiker Jessica Irving und Wenbo Wu aus Princeton in Zusammenarbeit mit Sidao Ni vom Institute of Geodesy and Geophysics in China Daten aus einem gewaltigen Erdbeben in Bolivien, um Berge und andere Topographien auf der Basis der Übergangszone zu finden, eine Schicht in einer Tiefe von 660 Kilometern. Sie trennt den oberen und unteren Mantel (ohne einen formalen Namen für diese Schicht nennen die Forscher sie einfach “die 660 Kilometer Grenze”).

Die meisten Schulkinder lernen, dass die Erde drei (oder vier) Schichten hat: Kruste, Mantel und Kern, der manchmal in einen inneren und äußeren Kern unterteilt ist. Das ist nicht falsch, aber es lässt mehrere andere Schichten aus, die Wissenschaftler innerhalb der Erde identifiziert haben, einschließlich der Übergangszone innerhalb des Mantels.

Um tief in die Erde blicken zu können, nutzen Wissenschaftler die stärksten Wellen des Planeten, die durch massive Erdbeben erzeugt werden. “Du willst, dass ein großes, tiefes Erdbeben den ganzen Planeten zum Beben bringt”, sagte Irving, ein Assistenzprofessor für Geowissenschaften.

Große Erdbeben sind weitaus mächtiger als kleine – die Energie nimmt mit jedem Schritt auf der Richterskala um das 30-fache zu. und anstatt ihre Energie in der Kruste zu verplempern, können tiefe Erdbeben den ganzen Mantel in Bewegung bringen”, sagte Irving. Ihre besten Daten erhält sie von Erdbeben der Stärke 7,0 oder höher, sagte sie, da die Stoßwellen, die sie in alle Richtungen aussenden, durch den Kern auf die andere Seite des Planeten wandern können – und wieder zurück. Für diese Studie stammen die Eckdaten aus Wellen, die nach einem Erdbeben der Stärke 8,2 aufgezeichnet wurden. Es handelt sich um das zweitgrößte jemals registrierte tiefe Erdbeben und erschütterte Bolivien im Jahr 1994.

“Erdbeben dieser Größenordnung kommen nicht oft vor”, sagte sie. “Wir haben Glück, dass wir jetzt so viel mehr Seismometer haben als noch vor 20 Jahren. Seismologie ist ein anderes Gebiet als noch vor 20 Jahren, zwischen Instrumenten und Rechenressourcen.”

Seismologen und Datenwissenschaftler verwenden leistungsstarke Computer, darunter Princeton’s Tiger Supercomputer-Cluster, um das komplizierte Verhalten von Streuwellen in der tiefen Erde zu simulieren.

Die Technologie hängt von einer grundlegenden Eigenschaft der Wellen ab: ihrer Fähigkeit, sich zu biegen und zu springen. So wie Lichtwellen beim Durchlaufen eines Prismas von einem Spiegel abprallen (reflektieren) oder sich biegen (brechen) können, wandern Erdbebenwellen direkt durch homogene Gesteine, reflektieren oder brechen aber, wenn sie auf eine Grenze oder Rauheit treffen.

“Wir wissen, dass fast alle Objekte oberflächenrau sind und somit Licht streuen”, sagt Wu, der Hauptautor des neuen Papers, der gerade seinen geowissenschaftlichen Doktorgrad erworben hat und nun als Postdoc am California Institute of Technology forscht. “Deshalb können wir diese Objekte sehen – die streuenden Wellen tragen die Information über die Rauheit der Oberfläche. In dieser Studie untersuchten wir verstreute seismische Wellen, die sich innerhalb der Erde bewegen, um die Rauheit der 660 km langen Grenze der Erde zu beschränken.”

Die Forscher waren überrascht, wie rau diese Grenze ist – rauer als die Oberflächenschicht, auf der wir alle leben. “Mit anderen Worten, an der 660 km langen Grenze ist eine stärkere Topographie als bei den Rocky Mountains oder den Appalachen vorhanden”, sagt Wu. Ihr statistisches Modell erlaubte keine genauen Höhenbestimmungen, aber es besteht die Möglichkeit, dass diese Berge größer sind als alles andere auf der Erdoberfläche. Auch die Rauheit war nicht gleichmäßig verteilt; so wie die Oberfläche der Kruste glatte Meeresböden und massive Berge aufweist, weist die 660 km lange Grenze raue Bereiche und glatte Stellen auf. Die Forscher untersuchten auch eine Schicht 410 Kilometer tiefer, an der Oberseite der “Übergangszone” im mittleren Mantel, und sie fanden keine ähnliche Unebenheit.

“Sie sind der Meinung, dass die tiefen Schichten der Erde genauso kompliziert sind wie das, was wir an der Oberfläche beobachten”, sagt die Seismologin Christine Houser, eine Assistenzprofessorin am Tokyo Institute of Technology, die an dieser Forschung nicht beteiligt war. “2 Meilen (1-3 km) Höhenunterschiede an einer Grenze zu finden, die über 660 km tief ist, mit Wellen, die durch die ganze Erde und zurück verlaufen, ist eine inspirierende Leistung. …. Ihre Ergebnisse zeigen, dass wir mit dem Auftreten von Erdbeben und der Verfeinerung seismischer Instrumente und der Expansion in neue Gebiete auch weiterhin neue kleinräumige Signale erkennen werden, die neue Eigenschaften der Erdschichten offenbaren werden.”

Was das bedeutet

Das Vorhandensein von Unebenheiten an der 660 km langen Grenze hat erhebliche Auswirkungen auf das Verständnis, wie sich unser Planet gebildet hat und weiterhin funktioniert. Diese Schicht teilt den Mantel, der etwa 84 Prozent des Erdvolumens ausmacht, in seine oberen und unteren Abschnitte. Seit Jahren diskutieren Geowissenschaftler darüber, wie wichtig diese Grenze ist. Insbesondere haben sie untersucht, wie Wärme durch den Mantel wandert – ob heiße Gesteine von der Kern-Mantel-Grenze (fast 2.000 Meilen nach unten) bis zur Decke des Mantels reibungslos transportiert werden oder ob diese Übertragung an dieser Schicht unterbrochen wird. Einige geochemische und mineralogische Beweise deuten darauf hin, dass der obere und untere Mantel chemisch unterschiedlich sind, was die Vorstellung unterstützt, dass sich die beiden Abschnitte weder thermisch noch physikalisch vermischen. Andere Beobachtungen deuten auf keinen chemischen Unterschied zwischen dem oberen und unteren Mantel hin, was einige dazu veranlasst, für einen so genannten “gut gemischten Mantel” zu argumentieren, bei dem sowohl der obere als auch der untere Mantel am gleichen Wärmeübertragungszyklus teilnehmen.

“Unsere Ergebnisse geben Aufschluss auf diese Frage”, sagt Wu. Ihre Daten deuten darauf hin, dass beide Gruppen teilweise Recht haben könnten. Die glatteren Bereiche der 660 km langen Grenze könnten sich aus einer gründlicheren vertikalen Vermischung ergeben, während sich die raueren, bergigen Bereiche gebildet haben könnten, in denen sich der obere und untere Mantel nicht so gut vermischen.

Darüber hinaus könnte die von den Wissenschaftlern gefundene Grobheit, die im großen, mittleren und kleinen Maßstab existierte, theoretisch durch Wärmeanomalien oder chemische Heterogenitäten verursacht werden. Aber aufgrund der Art und Weise, wie Wärme innerhalb des Mantels transportiert wird, würde jede kleinräumige thermische Anomalie innerhalb weniger Millionen Jahre geglättet. Das lässt nur chemische Unterschiede übrig, um die gefundene kleinräumige Unebenheit zu erklären.

Was kann zu signifikanten chemischen Unterschieden führen? Beispielsweise durch die Einführung von Gesteinen, die früher zur Kruste gehörten und nun ruhig im Mantel ruhen. Wissenschaftler haben lange über das Schicksal der Meeresbodenplatten diskutiert, die in Subduktionszonen in den Mantel geschoben werden. Die Kollisionen fanden überall im Pazifik und anderswo auf der Welt statt. Wu und Irving deuten darauf hin, dass die Überreste dieser Platten nun knapp über oder knapp unter der 660 km langen Grenze liegen können.

“Es ist leicht anzunehmen, dass Seismologen nicht verstehen können, wie sich das Erdinnere in den letzten 4,5 Milliarden Jahren verändert hat, da wir nur seismische Wellen erkennen können, die sich durch die Erde in ihrem derzeitigen Zustand bewegen”, sagte Irving. “Das Spannende an diesen Ergebnissen ist, dass sie uns neue Informationen geben, um das Schicksal der alten tektonischen Platten zu verstehen, die in den Mantel gesunken sind und wo sich das Material des alten Mantels noch befinden könnte.”

Sie fügte hinzu: “Die Seismologie ist am spannendsten, wenn sie uns das Innere unseres Planeten in Raum und Zeit besser verstehen lässt.”



Veröffentlichung: W. Wu el al., “Inferring Earth’s discontinuous chemical layering from the 660-kilometer boundary topography,” Science (2019). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aav0822

Quelle: off. Pm der Princeton University

Titelbildunterschrift: Die Princeton-Seismologin Jessica Irving arbeitete mit dem damaligen Doktoranden Wenbo Wu und einem anderen Kollegen zusammen, um die Unebenheiten an der Ober- und Unterseite der Übergangszone, einer Schicht innerhalb des Mantels, mittels verstreuter Erdbebenwellen zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass die Oberseite der Übergangszone, eine Schicht, die sich 410 Kilometer weiter unten befindet, meist glatt ist, aber die Basis der Übergangszone, 660 Kilometer weiter unten, ist an einigen Stellen viel rauer als der globale Oberflächendurchschnitt. “Mit anderen Worten, an der 660 km langen Grenze ist eine stärkere Topographie als die Rocky Mountains oder die Appalachen vorhanden”, sagt Wu. Hinweis: Diese Grafik ist nicht maßstabsgetreu. (Ill.: Kyle McKernan, Büro für Kommunikation, Princeton)


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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