17. Okt. 2017

Die Oberfläche der Erde zerfällt in zahlreiche Krustenplatten.

Den Geowissenschaftlern geht es genau wie den Medizinern: Sie können ihr Studienobjekt eigentlich nur von Außen betrachten. Doch der technische Fortschritt hat beiden Forschergruppen bildgebende Verfahren an die Hand gegeben, mit denen sie Planeten- oder Patientenkörper durchleuchten können. Im Internet ist jetzt das Produkt einer sogenannten seismischen Erdtomographie verfügbar: der "Atlas der Unterwelt", der den Weg der Krustenplatten durch den Erdmantel dokumentiert.

Seit genau 50 Jahren ist die Theorie der Plattentektonik die gültige Erklärung für die veränderliche Oberfläche unseres Planeten. Strömungen im Erdmantel ziehen die Krustenplatten unaufhörlich über die Erdoberfläche. Die Kontinentalplatten, aus denen das Festland besteht, schwimmen wie Schaumkronen oben auf und können deshalb Milliarden Jahre alt werden. Die ozeanische Kruste dagegen kommt nur in tektonischen Ausnahmefällen über ein Alter von ein paar Dutzend Millionen Jahre hinaus, denn sie taucht an den Subduktionszonen ins Erdinnere ab. Mit dem Verschwinden von der Erdoberfläche ist ihre Geschichte allerdings nicht zuende. "Wir sehen sie auf unseren Seismogrammen wie riesige kalte Finger in den Mantel ragen", erklärt Douwe van Hinsbergen, Assistenzprofessor für Geophysik an der Universität Utrecht.

Van Hinsbergen gehört zu einer Arbeitsgruppe an der niederländischen Universität, die jetzt einen Atlas der Unterwelt herausgegeben hat, praktisch die Verlängerung der bekannten Atlanten, die die Erdoberfläche abbilden, ins Erdinnere hinein. Hinsbergen und seine Kollegen haben im Erdmantel insgesamt 94 abtauchende Krustenstücke, sogenannte "Slabs" identifiziert und sie mit den Krustenplatten in Verbindung gebracht, die derzeit an der Oberfläche sichtbar sind. Sie profitieren dabei von den immensen Fortschritten, die die Seismologie in jüngster Zeit gemacht hat. "Bei der seismischen Tomographie, berechnen wir aus Erdbebenwellen eine Art CT-Scan der Erde", erklärt Hinsbergen. Ähnlich wie die Mediziner in den Körper des Patienten können die Seismologen in den Planetenkörper blicken, ohne tatsächlich hineingehen zu müssen.

Tatsächlich verbirgt sich hinter der seismischen Tomographie ein großer Modellieraufwand, der aus dem Datenwust über die Geschwindigkeit der Erdbebenwellen ein Bild von der Planetenstruktur konstruiert. Entsprechend unterschiedlich sind auch die Rekonstruktionen, die die verschiedenen Modelle liefern. Douwe van Hinsbergen: "Auch unser Atlas ist deshalb viel mehr ein Diskussionsforum als ein fertiges Produkt, und er wird in den kommenden Jahren sicherlich verändert und verbessert werden."

Tomographie des Erdmantels unter den westlichen USA.

Tomographie des Erdmantels unter den westlichen USA.

Bild: NSF/Richard Allen/UC Berkeley
Der Reggane-Slab nach dem Utrechter Tomographie-Modell.

Der Reggane-Slab nach dem Utrechter Tomographie-Modell.

Bild: Douwe van Hinsbergen et al.
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Tomographie des Erdmantels unter den westlichen USA.

Bild: NSF/Richard Allen/UC Berkeley

Der Reggane-Slab nach dem Utrechter Tomographie-Modell.

Bild: Douwe van Hinsbergen et al.

Bis in eine Tiefe von rund 2500 Kilometer können die Wissenschaftler die Krustenplatten verfolgen, so lange können diese einen Temperaturunterschied zum umgebenden Mantelgestein aufrechterhalten und sind daher auf den Seismogrammen zu identifizieren.  "Darunter können wir sie mit Seismometern nicht mehr erkennen, weil sie thermisch sozusagen recycled sind", sagt Hinsbergen. Allerdings kann man auch auf den Seismogrammen erkennen, dass sich Material an der Kern-Mantelgrenze in knapp 3000 Kilometern ansammelt, doch dies lässt sich nicht mehr einem individuellen Slab zuordnen. Chemisch dagegen mag man das Krustenmaterial vom umgebenden Gestein unterscheiden können, doch müsste man dies durch Proben untersuchen - und genau das wird den Geophysikern wohl nie möglich sein.

Der "Atlas der Unterwelt" zeigt, dass der Teil der Tektonik, der sich in den Tiefen des Mantels abspielt, ziemlich einheitlich ist. So sinken die ozeanischen Krustenplatten an den Subduktionszonen zwar mit extrem unterschiedlicher Geschwindigkeit ab. "Es gibt jedes Tempo zwischen einem und 15 Zentimeter im Jahr", erklärt Douwe van der Meer, dessen Doktorarbeit um den "Atlas der Unterwelt" kreist. So gehört die Pazifische Platte im Tonga-Graben zu den schnellsten der Welt, im südlich anschließenden Kermadec-Graben dagegen legt sie ein wesentlich geringeres Tempo vor. Interessant allerdings ist, dass unabhängig von ihrer Eintrittsgeschwindigkeit alle in einer ersten Bremszone auf ein einheitliches Tempo von einem Zentimeter im Jahr abgebremst werden. Diese Zone liegt in rund 600 Kilometern Tiefe, dort ändert sich aufgrund der herrschenden Temperaturen und Drücke die Kristallstruktur der Minerale, und diese Veränderung müssen die Gesteine eines Slab durchlaufen. Bis zu 100 Millionen Jahre bleibt die ehemalige Kruste in dieser Umwandlungszone hängen, und weil in dieser Zeit immer neues Material nachsinkt, verdickt sich das Krustenmaterial. "Das ist schon früher in den CT-Scans beobachtet worden", so Douwe van der Meer, "doch jetzt können wir abschätzen, um wieviel sie sich verdicken, weil wir wissen, wie stark die Platten abgebremst werden."

Ganz neu ist dagegen die Beobachtung einer weiteren Bremszone in größerer Tiefe und einer Beschleunigungszone im darunter liegenden Erdmantel. "Die zweite Bremszone liegt in 1000 bis 1500 Kilometern Tiefe", so van der Meer, "darunter scheinen die Slabs wieder etwas zu beschleunigen." Obwohl diese seismologischen Beobachtungen neu sind, haben Geochemiker sie erwartet. In Laborexperimenten entdeckten sie, dass sich bei entsprechenden Druck- und Temperaturverhältnissen die Mineralstruktur der Mantelgesteine erneut ändern. Die Erdtomogramme liefern dafür jetzt so etwas wie einen Beleg aus der geophysikalischen Praxis. Und diese haben wiederum Auswirkungen auf die Modelle, mit denen die Geophysiker die Daten aus dem Erdinneren interpretieren. Douwe van Hinsbergen: "Es sind wichtige Eckwerte für die physikalischen Eigenschaften des Mantels bis in rund 3000 Kilometer Tiefe."