Geokommission

Weitere Untersuchungen zeigten, dass der Erdmantel in den unteren Mantel, eine Übergangszone in 410 bis 660 Kilometern Tiefe und den oberen Mantel unterteilt ist. Diese Schalen sind durch seismische Diskontinuitäten, an denen sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen sprunghaft ändert, voneinander getrennt. Hochdruckexperimente zeigten dann, dass alle diese Diskontinuitäten durch Mineralumwandlungen im Mantel erklärt werden können, wobei sich die chemische Zusammensetzung kaum ändert. Die Entdeckung ultratiefer Diamanten vor einigen Jahren war eine glänzende Bestätigung dieses Modells. Diese Diamanten stammen aus der Übergangszone oder dem unteren Erdmantel und enthalten genau die Minerale und Mineralvergesellschaftungen als Einschlüsse, die von Mineralphysik und Seismologie vorhergesagt wurden. Mit diesen Einschlüssen sind erstmals Proben des unteren Mantels verfügbar, die direkt im Labor untersucht werden können – obwohl diese Region der Erde bis vor wenigen Jahren viel unzugänglicher erschien als die Rückseite des Mondes.

Ein ultratiefer Diamant mit zwei Mineraleinschlüssen. Der dunkle Einschluss ist (Mg,Fe)O, der helle Einschluss darüber (Mg,Fe)SiO3. Diese beiden Phasen können nur bei Drücken oberhalb von 250.000 Atmosphären im unteren Erdmantel miteinander koexistieren (Quelle: Catherine McCammon, Bayerisches Geoinstitut (BGI), Bayreuth)

Seismische Tomographie erlaubt es, dreidimensionale Strukturen im Erdmantel abzubilden. Hierzu werden die Laufzeiten von seismischen Wellen verglichen, die den Erdmantel in verschiedenen Richtungen durchlaufen haben. Aus diesen Daten kann man Modelle der seismischen Geschwindigkeiten im Erdmantel konstruieren. Strukturen mit hohen seismischen Geschwindigkeiten deuten auf kaltes Material hin, während niedrige seismische Geschwindigkeiten auf heißes, möglicherweise aufsteigendes und vielleicht sogar teilweise geschmolzenes Material hindeuten. Ausgedehnte Körper mit niedrigen seismischen Geschwindigkeiten findet man als „Mantel-Plumes“ unter vielen aktiven vulkanischen Gebieten wie in der Eifel. Andererseits kann man absinkende Platten ozeanischer Kruste bis in den unteren Erdmantel, ja bis zur Kern-Mantel-Grenze verfolgen. Dies ist vielleicht die wichtigste seismologische Beobachtung der letzten Jahrzehnte überhaupt, denn sie zeigt, dass der gesamte Mantel chemisch durchmischt wird.

In den vergangenen Jahren ist zunehmend klar geworden, dass die Unterschiede der seismischen Geschwindigkeiten im Mantel nicht nur durch Temperaturänderungen erklärt werden können. Eine entscheidende Rolle spielen offenbar auch chemische Heterogenitäten. Eine der großen Herausforderungen in den kommenden Jahrzehnten wird es daher sein, seismische Daten in Daten über die lokale Zusammensetzung und Temperatur im Erdmantel zu „übersetzen“. Hierzu müssen die elastischen Eigenschaften von Mantel-Mineralen als Funktion von Druck, Temperatur und Zusammensetzung sehr genau bekannt sein.

Dreidimensionale Darstellung der seismischen Signatur des Eifel-Plumes. In dem rot gezeigten Volumen liegt die Kompressionswellen-Geschwindigkeit um mindestens ein Prozent niedriger als in einem Standard-Erdmodell. Diese Anomalie könnte durch eine Temperaturerhöhung von circa 100 bis 150 Grad Celsius hervorgerufen werden (Quelle: Joachim Ritter, Geophysikalisches Institut, Universität Karlsruhe,TH)

Tomographie ist nur eine von mehreren seismischen Methoden, die zur Untersuchung des tiefen Erdinnern eingesetzt werden. Durch die Beobachtung von gestreuten Wellen, konvertierten Wellen und Vorläuferwellen können Diskontinuitäten identifiziert und ihre Topographie auskartiert werden. Die genaue Tiefe einer Diskontinuität wird durch die Stabilität einzelner Mineralphasen bestimmt. Die Tiefe eines solchen Übergangs hängt im Allgemeinen von der Temperatur und von der chemischen Zusammensetzung des Erdmantels ab. Weitere Informationen über das Erdinnere liefern Messungen der elektrischen Leitfähigkeit. Zwar haben diese Daten eine geringere räumliche Auflösung als die der seismischen Tomographie, jedoch zeigt die elektrische Leitfähigkeit zuverlässig an, ob geringe Mengen von Schmelzen und Fluiden im Mantel vorhanden sind.

Eine Reihe von Studien hat gezeigt, dass die 410- und die 660-Kilometer-Diskontinuitäten an einzelnen Stellen höher oder tiefer liegen. Das hängt mit darüber liegenden Strukturen zusammen, wie zum Beispiel Subduktionszonen, an denen tektonische Platten in den Erdmantel abtauchen. Um die Ursachen hierfür verstehen zu können, ist eine globale Auskartierung der Topographie dieser Diskontinuitäten notwendig. Dies ist nur mit Hilfe von seismischen Stationen am Ozeanboden möglich.

Die elastischen Eigenschaften von Mantel-Mineralen wurden bisher meist bei hohem Druck, aber bei Raumtemperatur vermessen. Aus diesen Daten lässt sich nur ungenau abschätzen, wie sich die Minerale bei den Druck- und Temperatur-Bedingungen im Mantel verhalten. Daher sind zahlreiche unterschiedliche Modelle der Zusammensetzung und Temperaturverteilung im Mantel mit den gemessenen seismischen Daten vereinbar. Um die Zusammensetzung und eventuell auch die Temperatur im Mantel genau bestimmen zu können, ist es notwendig, die elastischen Eigenschaften sowohl bei hohem Druck als auch bei hoher Temperatur und über ein breites Spektrum chemischer Zusammensetzungen zu messen. Derartige Messungen sind sehr schwierig, aber mit Laser-geheizten Diamantstempelzellen prinzipiell durchführbar. Hier tritt jedoch ein weiteres experimentelles Problem auf: Die Geschwindigkeit von seismischen Wellen unter hohem Druck wird gewöhnlich mit Schallwellen im Megahertz- bis Gigahertz-Frequenzbereich gemessen. Natürliche seismische Wellen haben dagegen Frequenzen in der Größenordnung von einem Hertz. Die im Experiment verwendeten hochfrequenten Schallwellen können anelastische Effekte auslösen: Sie können Korngrenzen verschieben sowie Ionen und Defekte innerhalb der Minerale versetzen. Diese anelastischen Effekte können seismische Wellen dämpfen. Vor allem hängen die seismischen Geschwindigkeiten – anders als im Erdmantel – in diesen Experimenten von der Frequenz der Schallwellen ab. Es müssen daher neue experimentelle Methoden entwickelt werden, mit denen seismische Geschwindigkeiten in einem realistischen Frequenzbereich unter Druck gemessen werden können. Dies ist zurzeit noch nicht möglich. Anelastische Effekte werden gegenwärtig mit theoretischen Modellen korrigiert, die aber zu sehr unterschiedlichen Resultaten führen können.

Zonen mit niedriger seismischer Geschwindigkeit im Mantel werden oft mit hohen Temperaturen und aufsteigenden Massebewegungen gleichgesetzt. Fluid-dynamische Berechnungen zeigen jedoch, dass heiße Plumes auch ein oszillierendes Verhalten zeigen können: Phasen des Aufstiegs wechseln sich mit Phasen des Rückzugs ab. Gleichzeitig wird die tomographische Auflösung von Mantelstrukturen durch die Lage der verfügbaren seismischen Stationen und durch die Methoden der Datenanalyse beeinflusst. Um die seismischen Messungen korrekt interpretieren zu können, sind synthetische Seismogramme und synthetische tomographische Bilder sehr hilfreich. Sie werden aus geodynamischen Konvektionsmodellen und Daten aus der Mineralphysik gewonnen.

Wie vor wenigen Jahren entdeckt wurde, kommt es in eisenhaltigen Mineralen unter hohem Druck zur so genannten Spin-Paarung. Dabei verändert sich die Elektronen-Konfiguration von Fe2+ und Fe3+, was zu drastischen Änderungen der physikalischen Eigenschaften der entsprechenden Minerale führen kann. Unter anderem wurde vermutet, dass sich die Dichte durch diesen Effekt drastisch erhöht, was die seismische Geschwindigkeit sprunghaft ansteigen lassen würde. Neuere Untersuchungen zeigen aber, dass die Auswirkungen der Spin-Paarung wahrscheinlich subtiler sind als früher vermutet. Eine Auswirkung der Spin-Paarung im unteren Mantel könnte darin bestehen, dass die Gesamt-Schallgeschwindigkeit abnimmt, je höher die Scherwellengeschwindigkeit wird. Auch gelegentlich lokal beobachtete Hinweise auf Diskontinuitäten im unteren Mantel sind nicht voll verstanden.

Ein synthetisches tomographisches Bild eines Mantel-Plumes, abgeleitet aus einem geodynamischen Modell. Links: numerische Simulation eines Mantel-Plumes unter einer sich bewegenden Platte. Diese thermische Struktur wird mit Hilfe von Daten aus der Mineralphysik umgerechnet in ein dreidimensionales Modell seismischer Geschwindigkeiten. Hieraus werden synthetische Seismogramme berechnet (Mitte), aus denen ein synthetisches tomographisches Bild (rechts) erzeugt wird. An diesem Bild kann man erkennen, mit welcher Genauigkeit ein Plume abgebildet werden würde (Quelle: Henri Samuel, Bayerisches Geoinstitut (BGI), Bayreuth)