Seltsame Felsen im Krustenfriedhof der Erde gefunden

Modelle, wie der Erdmantel funktioniert, müssen sich möglicherweise ändern, dank zweier neuer Studien, die die extremen Bedingungen knapp über dem Kern des Planeten nachbilden.

Der tiefe Erdmantel, eine Region, die 416 bis 1.800 Meilen (670 bis 2.900 Kilometer) unter der Erdoberfläche liegt, ist unmöglich zu erreichen und schwer mit seismischen Signalen zu "sehen". Die kleinen Wissenschaftler wissen, dass der Mantel von Erdbebenwellen kommt, die sich beschleunigen und verlangsamen, wenn sie durch verschiedene Gesteinsschichten innerhalb der Erde wandern. Der tiefste Teil des Mantels hat seltsame Blobs und seismische langsame Zonen, die die Wissenschaftler lange verwirrt haben. Beide neuen Studien bieten mögliche Erklärungen für das seltsame seismische Verhalten.

In den Studien ahmten die Forscher die Bedingungen im tiefen Mantel durch Experimente im Labor nach. Teams, die unabhängig voneinander auf verschiedenen Kontinenten arbeiteten, schossen Laser auf winzige Gesteinsbrocken, die zwischen Diamantambosse gepresst waren.

Ein Team kam zu dem Schluss, dass Wissenschaftler sich in Bezug auf die Form falsch benommen haben, die ein bestimmter Fels im tiefen Mantel einnimmt, der ungefähr die Hälfte des Erdvolumens ausmacht. Das andere Team fand Beweise für kleine Mengen des am häufigsten vorkommenden Oberflächengesteins der Erde, Basalt, das sich in flüssiger Form an der Kern-Mantel-Grenze sammelt. Die Ergebnisse werden heute (22. Mai) in der Zeitschrift Science veröffentlicht. [Infografik: Höchster Berg bis tiefster Ozeangraben]

"Diese Ergebnisse sind ein neuer Schritt vorwärts, um im Labor zu reproduzieren, was im sehr tiefen Mantel geschieht", sagte Denis Andrault, Hauptautor einer der Studien und Wissenschaftler an der Blaise Pascal Universität in Frankreich.

Mantelmineralmutationen

Die Studie, die die Form von Mantelgesteinen untersuchte, fand heraus, dass ein Mineral namens Perowskit, das etwa 80 Prozent des tiefen Mantels ausmacht, sich in Tiefen über 2200 km anders verhält als oberhalb dieses Niveaus.

Es stellt sich heraus, dass Perowskit im untersten Teil des Erdmantels zwei Phasen hat - verschiedene Arten, seine Atome anzuordnen. Eine "H-Phase" hat Eisen und eine hexagonale Struktur, während die andere Phase eisenfrei ist. Die H-Phase ist stabiler bei den Temperaturen und Drücken, die in der Nähe des Kerns gefunden werden, und ist wahrscheinlich häufiger als die eisenfreie Form von Perowskit, sagte Leitstudie Autor Li Zhang, ein Wissenschaftler am Zentrum für Hochdruck-Wissenschaft und Technologie Fortgeschrittene Forschung in Shanghai.

Die Ergebnisse legen nahe, dass die Mineralzusammensetzung der unteren Hälfte des unteren Mantels anders sein könnte als die der oberen Hälfte, sagte Zhang. "Die Konstitution des unteren Erdmantels der Erde kann sich erheblich von den bisherigen unterscheiden", sagte er.

Geowissenschaftler klassifizieren die Schichten der inneren Erde entsprechend den Veränderungen im Gesteinstyp, die oft durch plötzliche Veränderungen der Erdbebenwellengeschwindigkeit angezeigt werden. Die Entdeckung der H-Phase wird eine Suche durch die tiefe Erde nach Orten auslösen, an denen Perowskit in die H-Phase übergeht, so die Forscher. [Woraus besteht die Erde?]

Die Entdeckung der neuen H-Phase eröffnet auch Möglichkeiten, Modelle des Erdinneren zu verbessern, sagte Quentin Williams, Professor an der Universität von Kalifornien, Santa Cruz, der nicht an den Studien beteiligt war. Forscher können nun besser erforschen, wie der Übergang von einer Mineralphase zu einer anderen den tektonischen Konvektionszyklus des Planeten beeinflusst und ob ein seismisches Signal der Veränderung vorliegt.

"Die Idee, dass sich 1.000 km über dem Erdkern das Material in eisenreiche und eisenarme Mineralien auftrennen könnte, ist ziemlich neu", sagte Williams.

Kruste im Kern

Forscher, die Prozesse innerhalb der Erde modellieren, müssen auch die Auswirkungen des anderen Diamant-Amboss-Experiments berücksichtigen, das diese Woche in Science veröffentlicht wurde.

Die zweite Studie des Teams der Blaise Pascal University zeigt, dass gescheiterte Fragmente der ozeanischen Kruste an der Kern-Mantel-Grenze schmelzen können. Dies ist keine einfache Schlussfolgerung; Basalt kann unter den ausbrechenden Vulkanen leicht schmelzen, aber tiefe Mantelgesteine ‚Äč‚Äčverhalten sich merkwürdig, weil der Druck dort millionenfach größer ist als an der Erdoberfläche. Und die Temperaturen im tiefen Erdmantel sind heiß: Schätzungen gehen von etwa 2.800 bis 6.700 Grad Fahrenheit, oder 1.530 bis 3.700 Grad Celsius, obwohl niemand sicher weiß.

Die neuen Experimente zeigten, dass die ozeanische Kruste (der Basalt) bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt als die umgebenden Mantelgesteine ‚Äč‚Äčin der Zone knapp über der Kern-Mantel-Grenze, 1800 Meilen (2900 km) tief. Der Basalt bleibt nur geschmolzen, wenn er in der alten ozeanischen Kruste enthalten ist, denken die Forscher. Sobald die Schmelze nach oben in den Mantel entweicht, wird die Flüssigkeit durch chemische Vermischung mit Mantelgestein wieder fest. [50 erstaunliche Fakten über die Erde]

Die Ergebnisse werden die Debatte darüber beeinflussen, wie lange die geschmolzene Kruste in der Nähe des Kerns schwimmt, was die Quelle der Flüssigkeit ist und wie die neuen Beweise Theorien über die Mantelfahnen beeinflussen können, die Hotspots versorgen und Wärme innerhalb der Erde übertragen.

"Ich finde es aufregend, dass der häufigste Gesteinstyp auf der Erdoberfläche für die Struktur direkt über dem Erdkern verantwortlich sein könnte", sagte Williams.

Der tiefe Mantel ist wie der Speicherraum der Erde. Einige Forscher glauben, dass die Klumpen von geschmolzenem Gestein oberhalb des Kerns von dort, wo der Planet vor 4,5 Milliarden Jahren entstand, Gesteinsschichten sein könnten. Aber andere Wissenschaftler denken, dass der Konvektionszyklus, der die Plattentektonik antreibt, regelmäßig altes Material an die Oberfläche bringt, wodurch die tiefliegende Mantelflüssigkeit eher zu einem Kurzzeitlagerbecken als zu einem Hortplatz wird.

Andrault meint, seine neuen Erkenntnisse weisen auf die letztere Richtung hin.

"Die Erde bleibt ein sehr dynamischer Planet", sagte Andrault.

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