Neue Karte enthüllt tiefe Strukturen zwischen Erdmantel und Erdkern

Es ist einigermaßen schwindelerregend, wenn man darüber nachdenkt: Wir rasen auf einem Gesteinsbrocken durchs All, der sich zugleich um seine eigene Achse dreht und die Sonne umkreist.

Rund 2.900 Kilometer unter unseren Füßen geht der feste, zugleich zähflüssige Erdmantel in den flüssigen äußeren Erdkern über.

Durch Wärme angetrieben, verformen und verschieben sich diese Schichten langsam. Dabei drücken, schieben und verbiegen sie die Erdkruste – jene dünne Schicht, auf der wir leben.

Bemerkenswerterweise trägt diese dynamische Bewegung dazu bei, dass unser Planet für eine große Vielfalt an Lebewesen ein geeigneter Ort ist.

Gleichzeitig birgt sie Gefahren, besonders für uns Menschen und unsere Städte aus Beton. Zu verstehen, wie sich das Erdinnere bewegt, ist daher nicht nur wissenschaftlich interessant: Es hilft auch dabei, uns besser vor Erdbeben und anderen Naturkatastrophen zu schützen.

Erdbeben als Fenster ins tiefe Erdinnere

Erdbeben sind jedoch auch ein nützliches Werkzeug für Geologinnen und Geologen. Anhand der Daten über die Erschütterungen im Inneren der Erde können sie ihren Aufbau in Tiefen kartieren, die Bohrungen niemals erreichen könnten.

In einer neuen Studie im Journal of Geophysical Research: Solid Earth nutzte ein Forschungsteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ein maschinelles Lernprogramm, um mehr als 2 Millionen Erdbebenaufzeichnungen aus dreieinhalb Jahrzehnten auszuwerten.

Dabei entdeckte das Team beinahe 175.000 schwache seismische Signale. Sie weisen auf unerwartete kleinräumige Strukturen nahe der Grenze zwischen Erdmantel und Erdkern hin.

„Wir entdeckten außerdem sechs Gebiete, die wahrscheinlich bedeutende Heterogenitäten beherbergen, welche bisher nie dokumentiert worden waren, und damit klare vorrangige Ziele für die künftige Erforschung des tiefen Erdinneren liefern“, schreiben die Forschenden in ihrer Arbeit.

Das Ergebnis ist eine umfassende globale Karte dieser tiefen Strukturen. Sie zeigt, dass einige der ungewöhnlichen Merkmale, die Forschende am unteren Rand des Erdmantels festgestellt haben, wesentlich ausgedehnter sein könnten als bisher angenommen.

Im Mittelpunkt der Studie stand eine besondere Art seismischer Wellen, die als PKP-Vorläufer bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um schwache Wellen, die knapp vor deutlich stärkeren seismischen Wellen, den PKIKP-Wellen, eintreffen.

Bei einem Erdbeben breiten sich sowohl die starken als auch die schwachen Wellen durch die Erde aus. Treffen einige davon in der Nähe der Kern-Mantel-Grenze auf kleine Unterschiede im Material, können sie gestreut werden und leicht abweichende Wege nehmen.

Die gestreuten PKP-Wellen durchqueren den flüssigen äußeren Erdkern, nicht aber den festen inneren Erdkern. Deshalb können sie vor dem Hauptsignal der PKIKP-Wellen eintreffen.

Durch die Analyse der Ankunftszeiten können diese PKP-Vorläufer somit ungewöhnliche Strukturen tief im Planeten „sichtbar machen“.

Maschinelles Lernen findet PKP-Vorläufer

Das Problem: Diese Wellen sind schwach, und sie in Millionen von Erdbebenaufzeichnungen aufzuspüren, ist eine gewaltige Aufgabe.

Traditionell mussten Forschende seismische Aufzeichnungen von Hand prüfen und nach diesen PKP-Hinweisen suchen. Das ist langsam und mühsam. Zudem stimmen Fachleute nicht immer darin überein, ob ein Signal tatsächlich ein Vorläufer ist.

Das Team trainierte daher ein Deep-Learning-System für die erste Sichtung. Dadurch konnten Millionen seismischer Wellenformen von fast 5.000 Erdbeben zwischen 1990 und 2024 untersucht werden.

Zuerst sortierte der Algorithmus die Aufzeichnungen nach ihrer Qualität, anschließend entschied er, ob sie PKP-Vorläufer enthielten.

Entscheidend war, dass die Forschenden Fehler des KI-Modells manuell überprüften und korrigierten. Die korrigierten Beispiele flossen während des Trainings wieder in den Algorithmus ein.

Am Ende identifizierte das System 174.929 hochwertige PKP-Vorläufersignale – mehr als zehnmal so viele wie alle früheren Studien zusammengenommen.

Dieser enorme Zuwachs an Beobachtungen ist bedeutsam, weil frühere Karten des unteren Erdmantels eher isolierte, scheinbar zufällig verteilte Strukturen zeigten.

Mit dem deutlich größeren Datensatz konnten die Forschenden erkennen, dass manche dieser Flecken tatsächlich zu viel größeren, zusammenhängenden Gürteln verbunden sind.

Uralte Materialien an der Kern-Mantel-Grenze

Diese Strukturen könnten einen überraschend alten Ursprung haben.

Den Forschenden zufolge könnten einige von ihnen mit Material zusammenhängen, das durch Subduktion tief ins Erdinnere gezogen wurde.

Laut einer Studie aus dem Jahr 2023 gibt es im tiefen Erdmantel verschiedenste Materialien, „wie kontinentale Kruste, Sedimente, ozeanische Kruste und ursprüngliche Mantelmaterialien“.

Möglicherweise befinden sich dort sogar Überreste jenes Objekts, das den Mond gebildet haben soll, als es mit der Erde kollidierte.

Unter dem enormen Druck und den hohen Temperaturen an der Kern-Mantel-Grenze kann sich dieses Material chemisch aufspalten, mineralogische Umwandlungen durchlaufen oder teilweise schmelzen. Dadurch entstehen Taschen oder Strukturen, deren physikalische Eigenschaften sich stark vom umgebenden Mantel unterscheiden.

Bei einer vorsichtigen Interpretation ihrer Ergebnisse folgern die Forschenden, dass die identifizierten kleinräumigen Strukturen „thermochemische Ansammlungen“ sein könnten. Diese würden durch eine Kombination aus Überresten mehrfach subduzierter Platten, lokal begrenztem teilweisem Schmelzen, Mineralübergängen und Wechselwirkungen mit den bekannten „riesigen Flecken“, den großräumigen Provinzen niedriger Scherwellengeschwindigkeit, geformt.

Solche Strukturen können beeinflussen, wie sich der Mantel bewegt und wie heiß Magma unter einem Vulkan oder entlang eines mittelozeanischen Rückens wird, da verschiedene Gesteine bei unterschiedlichen Temperaturen aufheizen. Das kann bestimmen, ob es zu einem Ausbruch kommt oder wie heftig dieser ausfällt – Informationen, die für uns nützlich sind.

Möglicherweise verraten sie uns auch mehr über wissenschaftliche Rätsel, etwa darüber, wie tektonische Platten entstanden sind oder wodurch Ungleichgewichte im Erdmagnetfeld verursacht werden.

Die neue Karte hebt sechs Regionen hervor, die in PKP-Vorläuferstudien bisher nur schwach erfasst waren und nun vielversprechende Ziele für genauere Untersuchungen darstellen. Dazu zählen unter anderem Gebiete unter dem hochgelegenen Eurasien, Zentralasien und dem Südatlantik.

Die Forschenden erklären, dass diese Regionen nun vorrangig mit künftigen Studien höherer Auflösung untersucht werden sollten, die mehrere Arten seismischer Wellen einsetzen.

„Während der Katalog weiter wächst, wird seine hochauflösende räumlich-zeitliche Abdeckung … die Verfeinerung feinmaßstäblicher Strukturmodelle des untersten Mantels voranbringen und immer reichhaltigere Einschränkungen für ein vertieftes Verständnis des geodynamischen Zustands des tiefen Erdinneren liefern“, schließt das Team.

Die Studie wurde im Journal of Geophysical Research: Solid Earth veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Clare Watson auf Fakten geprüft und von Clare Watson redigiert. Wir sind zwar stolz auf unseren Prozess, aber auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, lassen Sie es uns bitte wissen.