Eine neue Studie eines Wissenschaftlers der University of Chicago legt nahe, dass es eine Schicht aus überraschend flüssigem Gestein geben könnte, die die Erde ganz unten im oberen Mantel umgibt.
Das Ergebnis wurde durch Messung der anhaltenden Bewegung erzielt, die von GPS-Sensoren auf Inseln nach einem tiefen Erdbeben im Pazifischen Ozean in der Nähe von Fidschi registriert wurde. Veröffentlicht am 22. Februar in Naturdemonstriert die Studie eine neue Methode zur Messung der Fluidität des Erdmantels.
„Obwohl der Mantel den größten Teil der Erde ausmacht, gibt es noch vieles, was wir darüber nicht wissen“, sagte Sunyoung Park, Geophysiker an der University of Chicago und Hauptautor der Studie. „Wir glauben, dass wir noch viel mehr lernen können, wenn wir diese tiefen Erdbeben nutzen, um diese Fragen zu untersuchen.“
Geheimnisse des Mantels
Wir wissen noch immer erstaunlich wenig über die Erde unter unseren Füßen. Das weiteste, was jemand geschafft hat, zu graben, beträgt etwa siebeneinhalb Meilen, bevor die zunehmende Hitze den Bohrer buchstäblich zum Schmelzen bringt. Daher mussten Wissenschaftler Hinweise darauf verwenden, wie sich seismische Wellen bewegen, um auf die verschiedenen Schichten zu schließen, aus denen der Planet besteht, einschließlich der Kruste, des Mantels und des Kerns.
Eine Sache, die Wissenschaftler behindert hat, ist eine genaue Messung der Viskosität der Mantelschicht. Der Mantel ist die Schicht unter der Kruste. Es besteht aus Gestein, aber bei den hohen Temperaturen und Drücken in dieser Tiefe wird das Gestein tatsächlich zähflüssig – es fließt sehr langsam wie Honig oder Teer.
„Wir wollen genau wissen, wie schnell der Mantel fließt, denn das beeinflusst die Entwicklung der gesamten Erde – es beeinflusst, wie viel Wärme der Planet wie lange speichert und wie die Materialien der Erde im Laufe der Zeit zirkulieren“, erklärte Park. „Aber unser derzeitiges Verständnis ist sehr begrenzt und beinhaltet viele Annahmen.“
Park dachte, dass es einen einzigartigen Weg geben könnte, die Eigenschaften des Mantels zu messen, indem er die Nachwirkungen sehr tiefer Erdbeben untersuchte.
Die meisten Erdbeben, von denen wir in den Nachrichten hören, sind relativ flach und haben ihren Ursprung in der obersten Erdkruste. Aber gelegentlich gibt es Erdbeben, die ihren Ursprung tief in der Erde haben – bis zu 450 Meilen unter der Oberfläche. Diese Erdbeben sind nicht so gut untersucht wie flachere, weil sie für menschliche Siedlungen nicht so zerstörerisch sind. Aber weil sie bis in den Mantel reichen, dachte Park, dass sie einen Weg bieten könnten, das Verhalten des Mantels zu verstehen.
Park und ihre Kollegen untersuchten ein bestimmtes solches Erdbeben, das sich 2018 vor der Küste von Fidschi ereignete. Das Beben hatte eine Stärke von 8,2, aber es war so tief – 350 Meilen tief – dass es keine größeren Schäden oder Todesfälle verursachte.
Als die Wissenschaftler jedoch die Daten von GPS-Sensoren auf mehreren nahe gelegenen Inseln sorgfältig analysierten, stellten sie fest, dass sich die Erde weiter bewegte – nachdem das Erdbeben vorbei war.
Die Daten zeigten, dass sich die Erde in den Monaten nach dem Beben immer noch bewegte und sich im Zuge der Störung beruhigte. Auch Jahre später bewegt sich Tonga immer noch langsam mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 Zentimeter pro Jahr nach unten.
„Man kann es sich wie ein Honigglas vorstellen, das langsam wieder auf die Höhe kommt, nachdem man einen Löffel hineingetaucht hat – außer dass das Jahre statt Minuten dauert“, sagte Park.
Dies ist die erste solide Beobachtung der Verformung nach tiefen Beben; Das Phänomen war zuvor bei flachen Erdbeben beobachtet worden, aber Experten hielten den Effekt für zu gering, um bei tiefen Erdbeben beobachtet zu werden.
Park und ihre Kollegen nutzten diese Beobachtung, um auf die Viskosität des Mantels zu schließen.
Indem sie untersuchten, wie sich die Erde im Laufe der Zeit verformte, fanden sie Hinweise auf eine etwa 50 Meilen dicke Schicht, die weniger viskos (d. h. „dünner“) als der Rest des Mantels ist und am unteren Rand der oberen Mantelschicht sitzt. Sie glauben, dass sich diese Schicht um den gesamten Globus erstrecken könnte.
Diese Schicht mit niedriger Viskosität könnte einige andere Beobachtungen von Seismologen erklären, die darauf hindeuten, dass es „stagnierende“ Gesteinsplatten gibt, die sich nicht sehr viel bewegen und sich in etwa der gleichen Tiefe am unteren Rand des oberen Mantels befinden. „Es war schwierig, diese Merkmale mit Modellen zu reproduzieren, aber die Schwachstelle, die in dieser Studie gefunden wurde, macht es einfacher, dies zu tun“, sagte Park.
Es hat auch Auswirkungen darauf, wie die Erde im Laufe der Zeit Wärme transportiert, zirkuliert und Materialien zwischen der Kruste, dem Kern und dem Mantel mischt.
„Wir sind wirklich aufgeregt“, sagte Park. „Mit dieser Technik gibt es noch viel mehr herauszufinden.“
Die anderen Co-Autoren des Papiers waren Jean-Philippe Avouac und Zhongwen Zhan vom California Institute of Technology und Adriano Gualandi vom italienischen National Institute of Geophysics and Volcanology.