Forscher der CU Boulder berichten, dass sie möglicherweise ein geophysikalisches Rätsel gelöst haben und die wahrscheinliche Ursache eines Phänomens entdeckt haben, das einem Schraubenschlüssel im Motor des Planeten ähnelt.
In einer Studie, die heute in Nature Geoscience veröffentlicht wurde, erforschte das Team die Physik von “stagnierenden Platten”. Diese geophysikalischen Kuriositäten bilden sich, wenn riesige Teile der ozeanischen Platten der Erde an den Rändern bestimmter Kontinentalplatten tief unter die Erde getrieben werden. Die Brocken sinken hunderte von Kilometern in das Innere des Planeten bis sie plötzlich – und aus Gründen, die die Wissenschaftler nicht erklären können – wie ein gebremstes Auto plötzlich anhalten.
Wissenschaftler der CU Boulders – Wei Mao und Shijie Zhong – könnten jedoch den Grund für diesen Stopp gefunden haben. Mithilfe von Computersimulationen untersuchten die Forscher eine Reihe stagnierender Platten im Pazifischen Ozean in der Nähe von Japan und den Philippinen. Sie entdeckten, dass diese kalten Gesteine auf einer dünnen Schicht aus weichem Material gleiten, die an der Grenze des oberen und unteren Erdmantels liegt – ungefähr 660 Kilometer unter der Oberfläche.
Und die Unterbrechung ist wahrscheinlich zeitlich begrenzt: “Obwohl wir sehen können, dass diese Platten stagnieren, handelt es sich um relativ junge Phänomene, die wahrscheinlich erst in den letzten 20 Millionen Jahren stattgefunden haben”, sagte Zhong, Mitautor der neuen Studie und Professor am CU Boulder Department für Physik.
Die Befunde sind für die Tektonik und den Vulkanismus auf der Erdoberfläche von Bedeutung. Zhong erklärte, dass der Mantel des Planeten, der über dem Kern liegt, große Mengen an Wärme erzeugt. Der Planet kühlt dadurch ab, dass heiße Gesteine durch den Mantel nach oben steigen und kältere wieder absinken. Dieser Vorgang wird als Mantelkonvektion bezeichnet.
“Man kann sich diese Mantelkonvektion als einen großen Motor vorstellen, der all das antreibt, was wir auf der Erdoberfläche beobachten können: Erdbeben, Gebirgsbildung, Plattentektonik, Vulkane und sogar das Magnetfeld der Erde”, sagte Zhong.
Die Existenz von stagnierenden Platten, die die Geophysiker vor etwa einem Jahrzehnt erstmals lokalisiert haben, verkompliziert diese Metapher, was darauf hindeutet, dass der Motor der Erde in einigen Gebieten zum Stillstand kommen könnte. Dies kann wiederum dazu führen, dass Wissenschaftler nun anders über verschiedene Entwicklungen während der Erdgeschichte denken, wie bspw. die sich in Ostasien auftürmende Vulkane.
Wissenschaftler haben solche Platten vor allem im westlichen Pazifik, insbesondere vor der Ostküste Japans und tief unter dem Marianengraben, gefunden.
Platten, die an ähnlichen Stellen in der Nähe von Nord- und Südamerika zu sehen sind, verhalten sich auf eine Weise, die Geophysiker erwarten: Sie tauchen durch den oberen Erdmantel und in den unteren Mantel, wo sie sich in der Nähe des Kerns aufheizen.
Aber in Asien “gehen sie einfach nicht unter”, sagte Zhong. Stattdessen breiteten sich die Platten horizontal in der Nähe der Grenze zwischen dem oberen und unteren Mantel aus, einem Punkt, an dem Wärme und Druck in der Erde bewirken, dass Mineralien von einer Phase zur anderen wechseln.
Um herauszufinden, warum die Platten dort stagnieren, entwickelten Zhong und Mao, ein Physikstudent, realistische Simulationen darüber, wie Energien und Gesteine den gesamten Planeten umkreisen.
Sie fanden heraus, dass sie das Verhalten der stagnierenden Platten nur erklären können, wenn eine dünne Schicht weniger viskosen Gesteins zwischen den beiden Hälften des Mantels eingekeilt wäre. Während niemand eine solche Schicht direkt beobachtet hat, haben Forscher ihre Existenz vorhergesagt, indem sie die Auswirkungen von Hitze und Druck auf Gestein untersuchen.
Wenn das der Fall ist, würde eine solche Schicht wie eine fettige Pfütze in der Mitte des Planeten wirken. “Wenn Sie eine schwache Schicht in dieser Tiefe einführen, hilft die reduzierte Viskosität irgendwie, die Region zu schmieren”, sagte Zhong. “Die Platten werden abgelenkt und können über eine lange Strecke horizontal weiterlaufen.”
Stagnierende Platten scheinen vor der Küste Asiens, aber nicht auf dem amerikanischen Kontinent zu erscheinen, da die Bewegung der Kontinente diesen Gesteinen mehr Platz zum Gleiten gibt. Zhong sagte jedoch, dass er nicht glaubt, dass die Platten stecken bleiben werden. Mit genügend Zeit, vermutet er, dass sie den glatten Teil des Mantels durchbrechen und ihren Weg in Richtung des Kerns fortsetzen werden.
Mit anderen Worten, der Planet würde sich immer noch wie ein Motor verhalten – nur mit ein paar klebrigen Stellen. “Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Geschichte doch komplizierter sein könnte, als wir bisher dachten”, sagte Zhong.
Veröffentlichung: Wei Mao, Shijie Zhong. Slab stagnation due to a reduced viscosity layer beneath the mantle transition zone. Nature Geoscience, 2018; DOI: 10.1038/s41561-018-0225-2
Quelle: off. Pm der University of Colorado at Boulder
Pia Gaupels
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