Geokommission

Seismische Untersuchungen in den vergangenen Jahren haben faszinierende Details der Region unmittelbar über dem äußeren Kern enthüllt. Die Kern-Mantel-Grenzfläche ist nicht eben, sondern hat eine aufgeraute Oberfläche mit Gebirgen und Tälern. In den 300 Kilometern darüber finden sich eigenartige Phänomene: An einigen Stellen steigt die Geschwindigkeit von Erdbebenwellen sprunghaft an, anderswo gibt es Regionen mit ungewöhnlich niedrigen seismischen Geschwindigkeiten.

Trotz ihrer großen Entfernung kontrolliert die Kern-Mantel-Grenzfläche Prozesse an der Erdoberfläche. Manche Mantel-Plumes – Körper von heißem, aufsteigendem Gestein – haben ihre Wurzel in 2.900 Kilometern Tiefe und verursachen Vulkanismus an der Erdoberfläche. Rekonstruktionen der Plattenbewegungen über die letzten 300 Millionen Jahre zeigen, dass die Zentren riesiger Flutbasalteruptionen allesamt oberhalb der Ränder bestimmter Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze liegen. Diese gewaltigen Eruptionen, die weit größer waren als irgendein vulkanisches Ereignis in den vergangenen Jahrmillionen, sind wahrscheinlich für die größten Aussterbeereignisse in der Erdgeschichte verantwortlich. Die Evolution des Lebens auf der Erde wurde daher wohl durch das tiefe Erdinnere mit gesteuert.

200 bis 300 Kilometer über der Kern-Mantel-Grenze gibt es eine Grenzschicht, an der Erdbebenwellen teilweise reflektiert werden. An dieser Grenze wandelt sich wahrscheinlich das Mantelmineral Perowskit zu einer Hochdruck-Variante, dem so genannten Post-Perowskit um. Diese erst vor kurzem entdeckte Phasenumwandlung erklärt jedoch allenfalls einen kleinen Teil der Strukturen im untersten Mantel. Unter dem Pazifik und unter Afrika gibt es beispielsweise Regionen, in denen sich die so genannten Scherwellen – das sind Erdbebenwellen, bei denen das Gestein senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingt – sehr langsam fortbewegen. Diese Anomalien werden sehr wahrscheinlich durch Material verursacht, das sich chemisch vom normalen Mantel unterscheidet und eine erhöhte Dichte besitzt. Bei diesem Gestein könnte es sich entweder um die Überreste abgetauchter tektonischer Platten handeln, oder das Material ist bei chemischen Reaktionen zwischen Erdkern und Erdmantel entstanden. Direkt über dem Kern gibt es zudem dünne Lagen mit extrem niedrigen Scherwellen-Geschwindigkeiten, die vermutlich Silikatschmelze enthalten. Möglicherweise sind dies die letzten Reste eines mittlerweile weitgehend auskristallisierten Magmenozeans aus der Frühgeschichte der Erde.

Plattentektonisch rekonstruierte Lage von Flutbasaltprovinzen der letzten 300 Millionen Jahre relativ zu einem Gebiet mit niedrigen seismischen Scherwellen-Geschwindigkeiten an der Kern-Mantel-Grenze (braun). Einige Beispiele für besonders große Flutbasalte sind DT= Dekkan-Trap-Flutbasalte (65 Millionen Jahre), KR=Karroo-Flutbasalte (182 Millionen Jahre), PE = Parana-Etendeka Flutbasalte (132 Millionen Jahre). (Zeichnung Andreas Audétat, vereinfacht nach Torsvik et al. (2008): Longitude: Linking Earth‘s ancient surface to its deep interior. Earth and Planetary Science Letters, 276: 273-282. doi:10.1016/j.epsl.2008.09.026

Der Wärmeaustausch über die Kern-Mantel-Grenze kontrolliert die thermische Entwicklung des gesamten Planeten. Ob und in welchem Umfang nicht nur Wärme, sondern auch Materie zwischen Kern und Mantel ausgetauscht werden, ist dagegen weniger klar. Durch die Kristallisation des inneren Kerns sollten sich bestimmte Metalle, etwa Platin und Rhenium, in der Restschmelze des äußeren Kerns anreichern. Dies sollte zu einer gekoppelten Anreicherung von 187Os und 186Os führen, den Tochterisotopen von radioaktivem 187Re und 190Pt. Tatsächlich enthalten einige Magmen aus tiefen Mantel-Plumes derartige gekoppelte Anreicherungen von 187Os und 186Os, was sich durch Austauschprozesse mit dem äußeren Kern erklären lässt. Allerdings lassen sich diese Beobachtungen auch anders deuten.

Kristallstruktur von MgSiO3-Perowskit (links) und MgSiO3-Post-Perowskit (rechts). Blau: SiO6-Oktaeder; gelb: Mg. Die Post-Perowskit-Phase ist dichter als Perowskit. Sie wurde erst vor wenigen Jahren entdeckt und existiert möglicherweise im tiefsten Teil des Erdmantels. Die Struktur von Post-Perowskit ist im Vergleich zu Perowskit viel stärker anisotrop. Das kann möglicherweise die starke seismische Anisotropie in Teilen des untersten Mantels erklären (Quelle: Gerd Steinle-Neumann, Bayerisches Geoinstitut (BGI), Bayreuth)

Die Strukturen im untersten Mantel sind bisher nur an wenigen Stellen genau bekannt. Das liegt daran, dass die Seismometerstationen auf der Erdoberfläche ungleichmäßig verteilt sind. Während in Nordamerika und Europa dichte Netzwerke bestehen, existieren nur relativ wenige Stationen auf der Südhalbkugel. Eine vollständige Beobachtung der Kern-Mantel-Grenze und des Erdinnern überhaupt ist jedoch nur mit Hilfe von zusätzlichen seismischen Observatorien auf dem Meeresboden möglich. Derartige Stationen existieren bisher noch nicht.

Der Wärmefluss durch die Kern-Mantel-Grenze treibt den Geo­dynamo an. Die thermische Grenzschicht im untersten Mantel kontrolliert zudem möglicherweise die Entstehung von Mantel-Plumes. Allerdings lässt sich bislang nur ungenau abschätzen, wie groß der Wärmefluss vom Kern in den Mantel ist. Ein Grund dafür besteht darin, dass die thermische Leitfähigkeit von Mantel-Mineralen in 2.900 Kilometern Tiefe nicht bekannt ist. Das Temperaturprofil oberhalb des Kerns lässt sich möglicherweise mit Hilfe der Phasenumwandlung von Perowskit zu Post-Perowskit bestimmen. Der Druck, bei dem diese Umwandlung vor sich geht, steigt mit zunehmender Temperatur an. Dies kann dazu führen, dass sich Perowskit mit zunehmender Tiefe und gleichzeitig ansteigender Temperatur zunächst in Post-Perowskit umwandelt, dann aber unmittelbar oberhalb des Kerns wieder in Perowskit übergeht. Dieses Phänomen könnte rätselhafte Geschwindigkeitssprünge von Erdbebenwellen erklären, die an verschiedenen Stellen oberhalb der Kern-Mantel-Grenze beobachtet wurden. Wenn genau bekannt ist, bei welchen Drücken und welchen Temperaturen sich Perowskit in Post-Perowskit verwandelt, dann lässt sich die Temperatur an den Sprungschichten bestimmen. Derartige Daten würden es ermöglichen, den Wärmefluss aus dem Kern in den Mantel recht genau abzuschätzen. Hierzu müsste aber der Verlauf der Phasengrenze sehr viel genauer bekannt sein als dies zurzeit der Fall ist.

Isotope und Spurenelemente in Laven, die aus tiefen Mantel-Plumes stammen, könnten direkte Hinweise auf eine Wechselwirkung zwischen Kern und Mantel liefern. Neben Osmium-Isotopen könnten auch die kurzlebigen 107Pd-107Ag und 182Hf-182W Isotopensysteme nützlich sein. Experimentelle Studien unter realistischen Druck- und Temperaturbedingungen sind nötig, um herauszufinden, wie sich Platingruppen-Elemente sowie andere Spurenelemente, etwa Germanium, Gallium, Selen und Tellur, zwischen festem und flüssigem Kern verteilen. Experimente können auch klären, wie geschmolzenes Eisen mit Silikatmineralen an der Kern-Mantel-Grenze reagiert. Für beide Vorhaben sind erhebliche Fortschritte bei den experimentellen und analytischen Methoden notwendig. Der Vergleich experimenteller Daten mit seismischen Messungen wäre eine zusätzliche Methode, um die Natur der chemischen Wechselwirkung zwischen Kern und Mantel zu bestimmen.

Die Post-Perowskit-Phase könnte wegen ihrer besonderen Kristallstruktur möglicherweise ein separates chemisches Reservoir für radioaktive Elemente und andere Spurenelemente darstellen. Entsprechende experimentelle Untersuchungen sind zurzeit noch extrem schwierig, aber mit quantenmechanischen Berechnungen ist dieses Problem grundsätzlich zugänglich.

Die Schmelztemperaturen im unteren Mantel, die mögliche Zusammensetzung der Schmelze und ihre Dichte sind bisher praktisch nicht bekannt. Insbesondere Daten über die Dichte wären notwendig, um vorhersagen zu können, ob eine Schmelze möglicherweise schwerer ist als das umgebende Gestein und damit eine stabile Lage direkt über dem inneren Kern bilden könnte.