Warum im Erdinnern Erdbebenwellen plötzlich rasen

Erdbeben, Vulkanausbr¨¹che, tektonische Platten, die sich verschieben ¨C all das sind Zeichen daf¨¹r, dass das Innenleben unseres Planeten buchst?blich sehr bewegt ist. Doch was sich tief im Inneren der Erde offenbart, erstaunt Laien und Wissenschaftler:innen gleichermassen: Fast 3000 Kilometer unter der Erdoberfl?che fliesst festes Gestein, das weder fl¨¹ssig ist wie Lava noch br¨¹chig wie fester Fels. Das zeigt eine neue Studie von Geowissenschaftler:innen um Motohiko Murakami, Professor f¨¹r Experimentelle Mineralphysik der ETH Z¨¹rich. Die Studie wurde soeben in der Fachzeitschrift Communications Earth & Environment ver?ffentlicht.

Ein halbes Jahrhundert R?tselraten

Seit ¨¹ber 50 Jahren r?tseln Forschende ¨¹ber eine seltsame Zone tief im Erdinneren: die sogenannte D¡¯¡¯-Schicht, rund 2700 Kilometer unter unseren F¨¹ssen. Dort nimmt die Geschwindigkeit von Erdbebenwellen sprunghaft zu, und zwar so, als w¨¹rden sie durch ein anderes Material laufen. Doch was genau in diesem Bereich des Erdmantels passiert, war lange unklar.

2004 entdeckte Murakami, der seit 2017 an der ETH Z¨¹rich Professor ist, dass sich Perowskit, das Hauptmineral des unteren Erdmantels, nahe an der D¡¯¡¯-Schicht unter extremem Druck und sehr hohen Temperaturen in eine andere Form umwandelt: in den sogenannten Post-Perowskit.

Die Forschenden nahmen an, dass diese Ver?nderung die seltsame Beschleunigung der Erdbebenwellen erkl?rt. Doch das war nicht die ganze Geschichte. 2007 fanden Murakami und Kollegen neue Hinweise, dass die blosse Phasen?nderung von Perowskit allein nicht ausreicht, um Erdbebenwellen zu beschleunigen.

Mit einem ausgekl¨¹gelten Computermodell machten sie die entscheidende Entdeckung: Je nachdem, in welche Richtung die Post-Perowskit-Kristalle zeigen, ver?ndert sich die H?rte des Minerals. Erst wenn im Modell alle Kristalle des Minerals in die gleiche Richtung zeigen, werden die seismischen Wellen beschleunigt ¨C wie an der D¡¯¡¯-Schicht in 2700 Kilometern Tiefe zu beobachten ist.

Mit einem aussergew?hnlichen Laborversuch an der ETH Z¨¹rich hat Murakami nun bewiesen, dass sich Post-Perowskit-Kristalle unter enormen Druck und extremen Temperaturen tats?chlich gleich ausrichten. Dazu haben die Forschenden in ihrem Experiment die Geschwindigkeit seismischer Wellen gemessen und konnten deren Sprung an der D¡¯¡¯-Schicht im Labor nachvollziehen. ?Damit haben wir das letzte Puzzleteil endlich gefunden?, sagt Murakami.

Mantelstr?mung richtet Kristalle aus

Die grosse Frage aber ist: Was bringt die Kristalle in Reih und Glied? Die Antwort ist: festes Mantelgestein, das am unteren Rand des Erdmantels langsam und waagrecht fliesst ¨C ?hnlich wie Wasser, das in einem Topf zu kochen beginnt und sich dabei in Kreisen bewegt. Forschende vermuteten schon lange, dass es diese Art von Konvektion geben muss, konnten sie aber nie direkt nachweisen.

Jetzt haben Murakami und seine Kolleg:innen auch experimentell nachgewiesen, dass die Mantelkonvektion an der Grenze von Kern und Erdmantel tats?chlich stattfindet. Damit ist klar, dass in dieser Tiefe festes ¨C nicht fl¨¹ssiges ¨C Gestein langsam, aber stetig fliesst. ?Diese Entdeckung l?st nicht nur das R?tsel um die D¡¯¡¯-Schicht, sondern ?ffnet uns ein Fenster in die Dynamik in den Tiefen der Erde.?

Die Erkenntnis ist nicht nur ein grosser Schritt in der Forschung, sondern sie ver?ndert auch das Verst?ndnis vom Erdinnern grundlegend. Die Annahme, dass festes Gestein tief im Erdinnern fliesst ¨C haben Murakami und seine Kolleg:innen wissenschaftlich erh?rtet. ?Unsere Entdeckung zeigt, dass die Erde nicht nur an der Oberfl?che aktiv ist, sondern auch tief im Inneren in Bewegung ist?, sagt der ETH-Professor.

Mit diesem Wissen k?nnen Forschenden nun beginnen, die Str?mungen im Inneren der Erde zu kartieren und so den unsichtbaren Motor, der Vulkane, Erdplatten und vielleicht sogar das Magnetfeld der Erde antreibt, sichtbar machen.