Mysteriöse Merkmale tief unter der Erde, beleuchtet durch hochauflösende Bildgebung

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Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung der University of Cambridge machen erstmals ein detailliertes Bild einer ungewöhnlichen Gesteinstasche in der Grenzschicht zum Erdkern, etwa dreitausend Kilometer unter der Oberfläche.

Die mysteriöse Felsregion, die fast direkt unter den Hawaii-Inseln liegt, ist eine von mehreren Regionen mit sehr niedriger Geschwindigkeit – so genannt, weil Erdbebenwellen beim Durchqueren langsamer werden.

Heute veröffentlichte Forschungsergebnisse in Naturkommunikationenthüllt erstmals im Detail die komplexe innere Anisotropie einer dieser Taschen und gibt Aufschluss über die Landschaften in den Tiefen der Erde und die darin ablaufenden Prozesse.

„Von allen tiefen inneren Merkmalen der Erde ist dies das faszinierendste und komplexeste. Wir haben jetzt den ersten soliden Beweis, der ihre innere Struktur zeigt – sie ist ein wahrer Meilenstein in der Tiefenseismologie“, sagte Hauptautor Zhi Li, Ph.D . . Student am Department of Earth Sciences an der University of Cambridge.

Das Erdinnere ist wie eine Zwiebel aus Schichten aufgebaut: In der Mitte befindet sich ein Eisen-Nickel-Kern, umgeben von einer dicken Schicht, dem sogenannten Mantel, und darüber eine dünne äußere Kruste – die Kruste, auf der wir leben. Obwohl der Mantel ein festes Gestein ist, ist er heiß genug, dass er sehr langsam fließt. Interne Konvektionsströme führen der Oberfläche Wärme zu, was zu einer Bewegung der tektonischen Platten und zu Vulkanausbrüchen führt.

Wissenschaftler nutzen seismische Wellen von Erdbeben, um unter die Erdoberfläche zu sehen – die Echos und Schatten dieser Wellen offenbaren radarähnliche Bilder des tiefen Inneren. Aber bis vor kurzem waren Bilder von Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze, einer Region, die für die Untersuchung des inneren Wärmeflusses unseres Planeten von entscheidender Bedeutung ist, grobkörnig und schwer zu interpretieren.

Die Forscher verwendeten modernste numerische Modellierungsmethoden, um Strukturen im Kilometermaßstab an der Kern-Mantel-Grenze zu erkennen. Co-Autor Dr. Kuangdai Leng, der die Methoden während seiner Zeit in Oxford entwickelt hat, sagt: „Wir erweitern bereits die Grenzen des modernen Hochleistungsrechnens für die Strömungssimulation und nutzen Wellensymmetrien, die unbemerkt geblieben sind oder zuvor nicht genutzt wurden. ” Dies bedeutet, dass sie die Auflösung der Bilder im Vergleich zu früheren Arbeiten um eine Größenordnung verbessern können, sagte Leng, der derzeit Mitglied des Science and Technology Facilities Council ist.

Sie beobachteten eine 40-prozentige Abnahme der Geschwindigkeit seismischer Wellen, die sich an der Basis der Zone mit sehr niedriger Geschwindigkeit unter Hawaii ausbreiteten. Laut den Autoren unterstützt dies aktuelle Annahmen, dass das Gebiet viel mehr Eisen enthält als das umgebende Gestein – was bedeutet, dass es viel dichter und stagnierender ist. „Es ist möglich, dass dieses eisenreiche Material ein Überbleibsel alter Gesteine ​​aus der frühen Erdgeschichte ist oder dass Eisen auf unbekannte Weise aus dem Kern ausgetreten ist“, sagte Projektleiter Dr. Sani Kotar von der University of Cambridge Geosciences.

Die neue Forschung könnte Wissenschaftlern auch helfen zu verstehen, was darunter liegt und Vulkanketten wie die Hawaii-Inseln entstehen lässt. Wissenschaftler bemerken allmählich eine Korrelation zwischen der Lage von Vulkanen mit beschreibenden Namen, zu denen Hawaii und Island gehören, und den Regionen mit sehr niedriger Geschwindigkeit am Fuß des Mantels. Der Ursprung von Hotspot-Vulkanen wurde viel diskutiert, aber die populärste Theorie besagt, dass wolkenartige Strukturen heiße Mantelmaterie den ganzen Weg von der Kern-Mantel-Grenze an die Oberfläche bringen.

Mit den nun vorliegenden Bildern der Ultra-Low-Velocity-Zone unter Hawaii kann das Team auch seltene physische Beweise von der Plume-Wurzel sammeln, die Hawaii wahrscheinlich speist. Ihre Beobachtung des dichten, eisenreichen Gesteins unter Hawaii würde Oberflächenbeobachtungen unterstützen: „Hawaiianische Basalte haben anomale Isotopensignaturen, die entweder auf einen frühen Ursprung der Erde oder auf eine Kernintrusion hindeuten könnten, was bedeutet, dass sich etwas von diesem dichten Material in der Basis angesammelt haben sollte zurückgezogen”, sagte Kotar. an die Oberfläche.”

Weitere Kern-Mantel-Grenzen müssen nun abgebildet werden, um zu verstehen, ob alle Oberflächen-Hotspots eine Tasche aus dichtem Material an der Basis haben. Wo und wie die Kern-Mantel-Grenze anvisiert werden kann, hängt davon ab, wo Erdbeben auftreten und wo Seismometer installiert sind, um Wellen aufzuzeichnen.

Die Beobachtungen des Teams tragen zu einer wachsenden Zahl von Beweisen bei, dass die Tiefe des Erdinneren genauso variabel ist wie seine Oberfläche. „Diese Regionen mit niedriger Geschwindigkeit sind eines der komplexesten Merkmale, die wir in extremen Tiefen sehen – wenn wir unsere Suche ausweiten, werden wir an der Kern-Mantel-Grenze wahrscheinlich ein zunehmendes Maß an Komplexität sehen, sowohl strukturell als auch chemisch.“ sagte Lee. .

Sie planen nun, ihre Techniken anzuwenden, um die Genauigkeit der Abbildung anderer Taschen an der Kern-Mantel-Grenze zu verbessern und neue Regionen zu kartieren. Letztendlich hoffen sie, die geologische Landschaft über Kern- und Mantelgrenzen hinweg zu kartieren und ihre Beziehung zur Dynamik und Evolutionsgeschichte unseres Planeten zu verstehen.


Mögliche chemische Rückstände von der frühen Erde werden in der Nähe des Kerns gefunden


Mehr Informationen:
Eine kilometergroße Struktur an der Kern-Mantel-Grenze bei Hawaii, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038 / s41467-022-30502-5

Präsentiert von der University of Cambridge

das Zitat: rätselhafte Merkmale im Erdinneren, beleuchtet durch hochauflösende Bildgebung (2022, 19. Mai), abgerufen am 20. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-puzzling-features-deep-earth-interior. html

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