Versunkene Welten unter dem Pazifik?

Niemand kann ins Erdinnere blicken. Auch kann niemand tief genug bohren, um Gesteinsproben aus dem Erdmantel zwischen der Lithosph?re und dem Erdkern zu holen oder dort Temperatur und Druck zu messen. Deshalb nutzen Geophysiker:innen indirekte Methoden, um zu sehen, was sich tief unter unseren F¨¹ssen abspielt.

So verwenden sie beispielsweise Seismogramme, also Erdbebenaufzeichnungen, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen zu ermitteln. Damit berechnen sie die innere Struktur der Erde. Das ist  fast so, wie Mediziner:innen, die mittels Ultraschall Organe, Muskeln oder Adern im K?rperinneren abbilden, ohne daf¨¹r den K?rper zu ?ffnen.

Seismische Wellen liefern Informationen

Und das geht so: Bebt die Erde, breiten sich vom Herd seismische Wellen in alle Richtungen aus. Auf ihrem Weg durch die Erde werden sie gebrochen, gebeugt oder reflektiert. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen h?ngt vom jeweiligen Wellentyp ab, aber auch von der Dichte und Elastizit?t des Materials, das die Wellen durchlaufen. Seismografische Stationen zeichnen diese unterschiedlichsten Wellen auf, und anhand dieser Aufzeichnungen k?nnen Geophysiker:innen auf die Struktur und die Beschaffenheit der Erde schliessen und die Vorg?nge im Erdinnern untersuchen.

So bestimmten Erdwissenschaftler:innen anhand der seismischen Aufzeichnungen die Lage von untergetauchten tektonischen Platten im gesamten Erdmantel. Sie fanden sie stets dort, wo sie diese erwartet hatten: im Bereich von sogenannten Subduktionszonen, also dort, wo zwei Platten aufeinandertreffen und die eine unter die andere ins Erdinnere abtaucht. Dies hat den Wissenschaftlern geholfen, den plattentektonischen Zyklus zu erforschen, also die Bildung und Zerst?rung von Platten an der Erdoberfl?che im Laufe der Erdgeschichte.

Plattenreste, wo es keine geben kann

Nun aber macht ein Team von Geophysiker:innen der ETH Z¨¹rich und des California Institute of Technology eine ¨¹berraschende Entdeckung: Mit einem neuen hochaufl?senden Modell finden sie im Erdinnern weitere Bereiche, die nach Resten von untergetauchten Platten aussehen. Diese liegen aber nicht dort, wo sie erwartet wurden, sondern auch unter grossen Ozeanen oder im Innern von Kontinenten ¨C weit entfernt von Plattengrenzen. Dort aber gibt es keine geologischen Hinweise auf l?ngst vergangene Subduktion. Diese Studie wurde vor kurzem in der Fachzeitschrift Scientific Reports ver?ffentlicht.

Das Neue an ihrem Modellansatz ist, dass die ETH-Forschenden nicht nur einen Typ von Erdbebenwellen nutzen, um die Struktur des Erdinnern zu untersuchen, sondern alle. Fachleute nennen das Verfahren Full Waveform Inversion. Das macht das Modell sehr rechenintensiv, weshalb die Forschenden den Supercomputer Piz Daint am CSCS in Lugano benutzten. Liegt unter dem Pazifik eine vergangene Welt?

?Offenbar sind solche Zonen im Erdmantel viel weiter verbreitet, als bisher angenommen?, sagt Thomas Schouten, Erstautor und Doktorand am Geologischen Institut der ETH Z¨¹rich.

Eine der neu entdeckten Zonen liegt unter dem westlichen Pazifik. Dort sollte aber nach g?ngigen plattentektonischen Theorien und Erkenntnissen kein Material von abgetauchten Platten vorhanden sein, weil es unm?glich ist, dass es in der j¨¹ngeren geologischen Geschichte Subduktionszonen in der N?he gab. Um welches Material es sich handelt, ist den Forschenden jedoch nicht bekannt, auch nicht, was dies f¨¹r die Dynamik im Inneren der Erde bedeutet. ?Das ist unser Dilemma. Mit dem neuen hochaufgel?sten Modell sehen wir zwar ¨¹berall im Erdmantel solche Anomalien. Was sie genau sind und was f¨¹r Material  die von uns aufgedeckten Muster erzeugt, wissen wir nicht?.

Es sei wie bei einem Arzt, der jahrzehntelang mit Ultraschall den Blutkreislauf untersucht und genau dort Arterien findet, wo er sie vermutet, sagt ETH-Professor Andreas Fichtner. ?Gibt man ihm jedoch ein neues, besseres Untersuchungsinstrument, sieht er pl?tzlich in der Pobacke eine Arterie, die da eigentlich nicht hingeh?rt. Genauso geht es uns mit den neuen Erkenntnissen?, erkl?rt der Wellenphysiker. Er hat das Modell in seiner Gruppe entwickelt und den Code geschrieben.

Mehr Informationen aus den Wellen ziehen

Die Forschenden k?nnen also bislang nur spekulieren. ?Wir denken, dass die Anomalien im unteren Erdmantel vielf?ltige Urspr¨¹nge haben?, sagt Schouten. Er h?lt es f¨¹r m?glich, dass sie nicht bloss aus kaltem Plattenmaterial bestehen, das in den letzten 200 Millionen Jahren abgetaucht ist. ?Es k?nnte entweder sehr altes silikatreiches Material sein, das seit der Entstehung des Erdmantels vor vier Milliarden Jahre dort ist und trotz der Konvektionsbewegungen im Mantel ¨¹berlebt hat. Oder es k?nnten Zonen sein, wo sich eisenreiches Gestein ¨¹ber Milliarden von Jahren anreichert als Folge dieser Mantelbewegungen?, sagt er.

F¨¹r den Erdwissenschaftler heisst es vor allem, dass es mehr Forschung mit noch besseren Modellen braucht, um mehr Details im Erdinnern zu sehen. ?Die Wellen, die wir f¨¹r das Modell nutzen, bilden im Wesentlichen nur eine Eigenschaft ab, n?mlich die Geschwindigkeit, mit der sie durch das Erdinnere rasen?, sagt Schouten. Das werde dem komplexen Inneren der Erde jedoch nicht gerecht. ?Wir m¨¹ssen die unterschiedlichen Materialparameter berechnen, die die beobachteten Wellengeschwindigkeiten der verschiedenen Wellentypen hervorbringen k?nnte. Im Wesentlichen m¨¹ssen wir uns intensiv mit den Materialeigenschaften befassen, die hinter der Wellengeschwindigkeit steckt?, betont Schouten.