Erdinneres: Erster Blick in eine Mega-Anomalie

Erstmals haben Forschende eine der Mega-Anomalien an der irdischen Kern-Mantel-Grenze durchleuchtet – eine 900 Kilometer große Störzone unter Hawaii. In ihr werden Bebenwellen ungewöhnlich stark abgebremst, weil das Gestein heißer und weicher ist normal. Jetzt enthüllen die seismischen Messungen, dass diese Anomalie zudem eine interne Struktur besitzt und an ihrem Grund überraschend viel Eisen enthält. Das könnte Hinweise auf Lecks im Erdkern bestätigen.

Der untere Erdmantel ist eine Schlüsselregion für die irdische Tektonik und Geologie. Denn dort entspringen die Mantelplumes, die die vulkanischen Hotspots speisen. Zudem ist diese Zone ein Motor für die Konvektionsströmungen im Erdmantel und damit auch der Plattentektonik. Dazu passt, dass diese Region direkt oberhalb der Kern-Mental-Grenze sehr inhomogen zu sein scheint: Heißere, weichere Bereiche wechseln mit kühleren Zonen ab, wie Analysen von Erdbebenwellen nahelegen.

Vier riesige „Bremszonen“

Im Jahr 2020 enthüllte eine seismische Analyse dann vier Mega-Anomalien im unteren Erdmantel. In diesen hunderte Kilometer großen, aber nicht sehr hohen Zonen werden vom Erdkern reflektierte Bebenwellen um bis zu 30 Prozent abgebremst. Die ungewöhnlich ausgedehnten Ultra-Low Velocity Zones (ULVZ) liegen unter Hawaii, Island, Samoa und den Marquesa-Inseln – und damit alle unter Gebieten mit Hotspot-Vulkanismus.

Wie groß diese Mega-Anomalien aber genau sind und wie ihr Inneres aussieht, blieb bislang aus Mangel an geeigneten seismischen Daten unklar. Das hat sich nun geändert: Geowissenschaftler um Zhi Li von der University of Cambridge haben erstmals eine dieser Mega-Anomalien näher durchleuchtet: die rund 600 Kilometer große ULVZ unter Hawaii. Dafür werteten sie die seismischen Daten von sieben Starkbeben im Südpazifik aus, die durch diese Zone hindurchgelaufen und dann von Messstationen in den USA aufgezeichnet worden waren.

Mega-Anomalie hat eine interne Struktur

Die Auswertung enthüllte, dass die zylinderförmige Mega-Anomalie unter Hawaii rund 900 Kilometer groß ist, etwas weiter südwestlich liegt als bislang gedacht – und nicht homogen ist. Denn die Bebenwellen wurden im oberen Teil der ULVZ weniger stark verlangsamt als an ihrer Untergrenze. „Die Messwerte können durch eine zwei Kilometer dicke Schicht an der Basis der ULVZ erklärt werden, die die Wellen um bis um 40 Prozent abbremst“, berichtet das Team.

Interessant auch: Diese besonders bremsende Tiefenzone lässt sich nur zum Teil durch höhere Temperaturen erklären. Zusätzlich muss auch der Eisenanteil in diesem Mantelgestein ungewöhnlich hoch sein, wie Li und seine Kollegen erklären. Demnach nimmt der Eisenanteil von der Obergrenze der der Mega-Anomalie bis an ihren unteren Rand deutlich zu. Das macht das Mantelmaterial dichter und träger als das umgebende Gestein.

Leck im Kern oder Relikt der Urerde?

Dieser erhöhte Eisenanteil in der Mega-Anomalie könnte auch erklären, warum die in Hawaii aus den Hotspot-Vulkanen austretende Lava einige ungewöhnliche Merkmale aufweist. Unter anderem zeigt sie anomale Isotopensignaturen, die ebenfalls durch einen hohen Eisengehalt des Mantelgesteins verursacht werden könnten. „Dies legt nahe, dass einiges von dem dichten Material an der Basis des Mantels bis an die Oberfläche transportiert wird“, sagt Lis Kollegin Sanne Cottaar.

Woher das Eisen am unteren Rand der Mega-Anomalie stammt, ist allerdings noch unklar. „Es ist möglich, dass das eisenreiche Material ein Relikt von Gesteinen aus der Frühzeit der Erde ist“, erklärt Cottaar. „Das Eisen könnte aber auch durch einen noch unerkannten Prozess aus dem Erdkern ausgetreten sein.“ Letzteres würde Isotopendaten bestätigen, nach denen schon seit Milliarden Jahren Eisen durch „Lecks“ im Erdkern in den Erdmantel übertritt.

„Faszinierendes Phänomen“

Die Ergebnisse werfen in jedem Fall ein neues Licht auf die Mega-Anomalien im Erdmantel und ihre mögliche Entstehung – werfen aber auch neue Fragen auf. „Diese Low Velocity Zones sind eines der faszinierendsten Phänomene der extremen Tiefe“, sagt Li. „Jetzt haben wir den ersten klaren Beleg dafür, dass sie eine interne Struktur haben – das ist ein echter Meilenstein der tiefen Erdseismologie. Wenn wir sie weiter erforschen, werden wir wahrscheinlich noch weitere Ebenen der Komplexität finden, sowohl strukturell wie chemisch.“ (Nature Communications, 2022; doi: 10.1038/s41467-022-30502-5)

Quelle: University of Cambridge