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Neues aus dem Erdinneren: eine bislang unbekannte Schicht hemmt den Materialkreislauf zwischen Kern und Mantel

Das Great Blue Hole im Ozean vor Belize ist eine natürliche Vertiefung im Meeresboden, die bis zu 125 m in die Tiefe reicht. Sie ist Teil eines Höhlensystems im Untergrund, das mit Wasser vollgelaufen ist. Zum Vergleich: die Erdkruste ist um die 40 Kilometer dick! Foto: U.S. Goelogical Survey / Wikimedia Commons

Starke Indizien für eine „Viskositätswand“, im unteren Erdmantel in einer Tiefe von etwa 1500 bis 1700 km haben Dr. Hauke Marquardt vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth und Prof. Dr. Lowell Miyagi von der University of Utah in Salt Lake City gefunden und darüber in „Nature Geoscience“ berichtet. Diese Schicht könnte die Ursache für manche Erdbeben sein und vielleicht auch für höhere Temperaturen im Erdkern als bisher angenommen sorgen.

Von der Erdkruste bis hinunter zum Erdkern setzt sich unser Planet aus mehreren übereinander gelagerten Schichten zusammen. Unterhalb der Kruste ganz außen (Lithosphäre) mit rund 40 km Dicke befindet sich der Erdmantel (oberer Mantel bis in rund 660 km Tiefe, unterer Mantel bis in etwa 2900 km Tiefe). Darunter beginnt der Erdkern (äußerer Kern bis in 5150 km Tiefe, innerer Kern bis in 6371 km Tiefe).

Winzig dünn ist die Erdkruste im Vergleich zu den verschiedenen Zonen des Erdmantels und dem Erdkern, der bis in gut 6300 km Tiefe reicht. Grafik: Wikimedia Commons

Diese Schichten lassen sich deshalb klar voneinander unterscheiden, weil sie jeweils andere Materialien enthalten.

Die neue Schicht hingegen ist dadurch definiert, dass in ihr das dort häufige Mineral Ferroperiklas in einer außergewöhnlich hohen Viskosität (Zähflüssigkeit) vorliegt. Daraus resultiert eine enorme Festigkeit und Steifigkeit. Materialien, die von oben oder von unten kommen, können diese Schicht nicht oder nur sehr schwer durchdringen.

Da jedoch im Globus permanent Material transportiert wird, bewirkt diese Schicht eine Art von Materialstau auf ihrer Oberseite, so die Vermutung der Wissenschaftler. Tatsächlich haben seismische Untersuchungen gezeigt, dass es an vielen Stellen dicht oberhalb von 1500 km Tiefe große Mengen von Krustenmaterial gibt. Bisher hatte man dieses Phänomen nicht erklären können.

Die „Viskositätswand“ nun könnte die Ursache für Erdbeben in relativ großen Tiefen sein. Wenn nämlich Gesteinsmassen auf ihrem Weg nach unten auf die Sperre stoßen und abgebremst werden, können sie sich aufstauen und ruckartig aufreißen.

Die Grafik zeigt, wie sich Gesteinsmaterial oberhalb der hochviskosen Schicht anstaut. Falls es aber diese „Wand“ durchdrungen hat, dürfte sich sein Absinken in die Tiefe beschleunigen. Grafik: Dr. Hauke Marquardt, Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth

Außerdem: Wenn eine „Viskositätswand“ den stetigen Materialkreislauf abwärts behindert, kann umgekehrt auch weniger Hitze mit Material aus dem tiefen Erdinnern nach oben aufsteigen und an der Erdkruste entweichen. Möglicherweise herrschen also im Erdkern und im unteren Erdmantel höhere Temperaturen, als bisher angenommen.

Wie aber sind die Wissenschaftler zu ihren Erkenntnissen gekommen? Bohrungen bis in solche Tiefen sind doch nicht möglich.

Mithilfe von Diamantstempelzellen konnten im Bayerischen Geoinstitut winzige Gesteinsproben extrem hohen Drücken ausgesetzt werden, wie sie im Erdinneren herrschen.

Mit Röntgenstrahlen aus einem Teilchenbeschleuniger am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien wurden dann diese Ferroperiklas-Kristalle untersucht und es zeigte sich, dass sie unter so hohen Drücken eine ungefähr dreimal höhere Festigkeit und damit eine erheblich höhere Viskosität haben als normal.

Jedoch muss man davon ausgehen, dass es einigen Gesteinsmassen dennoch gelingt, die „Viskositätswand“ zu überwinden. Für sie dürfte sich damit die Geschwindigkeit des Absinkens beschleunigen, denn ab 1700 km Tiefe verringert sich die Viskosität wieder, wie man aus anderen Analysen weiß. Falls also Gestein einmal bis hierhin vorgedrungen ist, könnte es bis ganz tief in den unteren Erdmantel und vielleicht sogar bis zum Erdkern vordringen.

Hauke Marquardt and Lowell Miyagi,
Slab stagnation in the shallow lower mantle linked to an increase in mantle viscosity,
in: Nature Geoscience (2015), DOI: 10.1038/NGEO2393

(05.07.2015)