Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Wu Zhongqing von der Fakultät für Erd- und Weltraumwissenschaften an der Universität für Wissenschaft und Technologie von China, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, hat einen bedeutenden Fortschritt bei der Bestimmung der Materialzusammensetzung und des thermischen Zustands des unteren Erdmantels erzielt. Ihre Forschungsergebnisse mit dem Titel “Zusammensetzung und thermischer Zustand des unteren Mantels aus gemeinsamer 3D-Inversion mit seismischer Tomographie und Mineral-Elastizität” wurden in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
Das Innere der Erde kann grob in Kruste, oberen und unteren Mantel und Kern unterteilt werden. Der untere Mantel, der sich in Tiefen von 660 bis 2.890 km unter der Oberfläche befindet, macht einen erheblichen Teil des Volumens und der Masse der Erde aus. Er spielt eine entscheidende Rolle in der Struktur und Dynamik des Planeten.
Frühere seismologische Studien haben Variationen in den Geschwindigkeiten seismischer Wellen im unteren Mantel aufgedeckt, einschließlich großflächiger Gebiete mit niedriger Scherwellengeschwindigkeit (LLSVPs) unter Afrika und dem Pazifik. Die Natur, Herkunft und Auswirkungen dieser Anomalien sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, ein umfassendes Verständnis für die räumliche Verteilung der Materialzusammensetzung und Temperatur im unteren Mantel zu erhalten, um die Entstehung, Evolution und Dynamik der Erde zu entschlüsseln.
Um diese Herausforderungen anzugehen, nutzte das Forschungsteam eine Kombination aus seismischer Tomographie und den elastischen Eigenschaften von Mineralien, um die Zusammensetzung und räumliche Verteilung von Mantelmaterialien und Temperaturen zu bestimmen. Experimentelle Messungen der Mineral-Elastizität unter den extremen Bedingungen des unteren Mantels stellten jedoch erhebliche Schwierigkeiten dar.
Um dies zu überwinden, entwickelte das Team von Professor Zhongqing eine neuartige First-Principles-Berechnungsmethode, die rechnerisch effizienter ist und weniger als ein Zehntel der herkömmlichen Methoden ausmacht. Mit diesem Ansatz untersuchte das Team umfassend die elastischen Eigenschaften wichtiger Minerale im unteren Mantel und erzielte Ergebnisse, die mit experimentellen Daten übereinstimmten, die unter vergleichsweise niedrigeren Temperaturen und Drücken gewonnen wurden.
Durch die Integration von berechneten Hochtemperatur- und Hochdruck-Elastizitätsdaten von Mineralien des unteren Mantels in ein dreidimensionales tomographisches Modell gelang es dem Forschungsteam erfolgreich, die dreidimensionale Mineralzusammensetzung und die Temperaturverteilung des gesamten unteren Mantels mithilfe der Markov-Chain-Monte-Carlo-Methode umzukehren. Darüber hinaus leiteten sie ein dreidimensionales Dichtemodell des unteren Mantels ab.
Die Ergebnisse der Umkehrung zeigten, dass die seitliche Temperaturverteilung im unteren Mantel einem gaußschen Muster folgt, mit minimalen Variationen in einem Tiefenbereich von 1.600 Kilometern. Mit zunehmender Tiefe weitet sich die Verteilung jedoch allmählich aus. Bemerkenswert ist, dass am untersten Punkt des unteren Mantels die seitliche Temperaturverteilung vom gaußschen Muster abweicht, was auf starke laterale Heterogenität hinweist, die wahrscheinlich mit der Existenz von LLSVPs zusammenhängt.
Weitere Analysen zeigten, dass thermische Anomalien hauptsächlich zu Geschwindigkeitsanomalien im oberen Teil des unteren Mantels beitragen, während Variationen in der chemischen Zusammensetzung hauptsächlich Geschwindigkeitsanomalien im tiefsten Teil des Mantels beeinflussen.
Die Studie offenbarte auch, dass LLSVPs eine höhere Dichte am unteren Rand des unteren Mantels aufweisen und im Vergleich zum umgebenden Mantel und unterhalb einer Tiefe von etwa 2.700 Kilometern niedrigere Dichten zeigen. Darüber hinaus sind LLSVPs durch erhöhte Temperaturen und angereicherte Konzentrationen von Eisen und Bridgmanit gekennzeichnet, was die Hypothese unterstützt, dass LLSVPs möglicherweise aus urzeitlichen basalen Magmaozeanen während der frühen Entwicklungsphasen der Erde entstanden sind.
Die Ergebnisse dieser Forschung liefern wesentliche Erkenntnisse über die Zusammensetzung und den thermischen Zustand des unteren Erdmantels und fördern das Verständnis der tiefen Struktur des Planeten erheblich. Diese Erkenntnisse werden voraussichtlich einen tiefgreifenden Einfluss auf die Forschung zur Entstehung, Evolution und Dynamik der Erde haben.
Titelbildunterschrift: Räumliche Verteilung der Mineralzusammensetzung, des Eisengehalts und der Temperatur in unterschiedlichen Tiefen. (Quelle: Universität für Wissenschaft und Technologie von China.)
Veröffentlichung: Xin Deng et al, Compositional and thermal state of the lower mantle from joint 3D inversion with seismic tomography and mineral elasticity, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2220178120
Quelle: off. PM der Universität für Wissenschaft und Technologie von China
Pia Gaupels
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