Ursache für bisher rätselhafte seismische Diskontinuitäten

In einer Tiefe von 660 Kilometern kommt es zu einem abrupten Wechsel der Geschwindigkeit, mit der sich seismische Wellen im Erdinneren ausbreiten. Diese auffällige seismische Diskontinuität verlagert sich jedoch unterhalb kalter Subduktionszonen, wo die ozeanische Kruste in den Erdmantel unter die kontinentale Kruste sinkt, in eine Tiefe von 750 Kilometern. Ein Forschungsteam am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth hat durch Hochdruck-Experimente eine Erklärung für dieses bisher rätselhafte Phänomen gefunden: die Umwandlung des Minerals Akimotoit in Bridgmanit. In „Nature“ stellen die Forscher*innen ihre Ergebnisse vor.

In der geowissenschaftlichen Forschung besteht Konsens darüber, wie die seismische Diskontinuität in einer Tiefe von 660 Kilometern zu erklären ist: In dieser Übergangszone vom oberen zum unteren Erdmantel zerfällt das Mineral Ringwoodit – das sich aus Magnesium, Eisen, Silizium und Sauerstoff zusammensetzt – in Bridgmanit und Ferroperiklas. Infolgedessen können sich seismische Wellen schneller fortpflanzen.

Die seismischen Diskontinuitäten, die unter kalten Subduktionszonen in Tiefen zwischen 660 und 750 Kilometern zu beobachten sind, waren jedoch bisher unklar. In diesen viel kühleren Regionen des Erdinneren teilt sich die seismische Diskontinuität in Diskontinuitäten im Bereich von 660 bis 670 Kilometern und im Bereich von 740 bis750 Kilometern auf. Experimente im BGI, bei denen die im Erdinneren herrschenden Kompressionsdrücke und Temperaturen simuliert wurden, zeigen eindeutig: Der Zerfall des Ringwoodit in Bridgmanit und Ferroperiklas kann für diese Diskontinuitäten nicht verantwortlich sein. Denn er ist unabhängig von Temperaturänderungen und findet unter einem Kompressionsdruck statt, wie er in einer Tiefe von rund 660 Kilometern herrscht.

Einer Erklärung sind die Bayreuther Forscher*innen auf die Spur gekommen, als sie den Phasenübergang von Akimotoit zu Bridgmanit unter den gleichen Bedingungen untersucht haben. Akimotoit ist ein Mineral, das hauptsächlich in den kühleren Bereichen der Übergangszone zum unteren Erdmantel vorkommt. Die Experimente in den Laboratorien des BGI führten zu einem überraschenden Ergebnis: Der Phasenübergang von Akimotoit zu Bridgmanit weist eine steile negative Clapeyron-Kurve auf.

Dies bedeutet: Je tiefer die Temperatur ist, desto höher muss der Kompressionsdruck sein, damit es zu einem Phasenübergang – nämlich zur Umwandlung in Bridgmanit – kommt. Der höhere Druck ist aber erst in einer größeren Tiefe gegeben. Bereits ein vergleichsweise geringes Absinken der Temperatur führt also dazu, dass sich der Phasenübergang von Akimotoit zu Bridgmanit deutlich tiefer ins Erdinnere verlagert.

Dieser Befund bietet nun die Möglichkeit, gleich zwei ungeklärte geowissenschaftliche Rätsel zu lösen: „Die sehr auffällige seismische Diskontinuität in einer Tiefe von 740 bis 750 Kilometern unterhalb kalter Subduktionszonen kann auf der Grundlage unserer Experimente plausibel durch den Phasenübergang von Akimotoit zu Bridgmanit erklärt werden. Eine weitere Diskontinuität, die in 660 bis 670 Kilometern unterhalb kalter Subduktionszonen auftritt, wird durch den Zerfall von Ringwoodit in Akimotoit und Ferroperiklas verursacht. Diese beiden Übergänge können dazu führen, dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Wellen abrupt ändert“, erklärt Dr. Artem Chanyshev, wissenschaftlicher Mitarbeiter am BGI und Erstautor der jetzt in „Nature“ veröffentlichten Studie.

Die Forschungsergebnisse sind hervorgegangen aus einer engen Zusammenarbeit des BGI mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, dem Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research in Peking und der Jilin Universität in Changchun (China) sowie dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute und der Tohoku Universität in Sendai (Japan).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Artem Chanyshev
Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth
E-Mail: artem.chanyshev@uni-bayreuth.de

Prof Dr. Tomo Katsura
Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth
E-Mail: tomo.katsura@uni-bayreuth.de

http://www.uni-bayreuth.de/