Animation der Erdschichten.
Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung der Universität Cambridge sind die ersten, die ein detailliertes „Bild“ einer ungewöhnlichen Gesteinstasche an der Grenzschicht zum Erdkern, etwa dreitausend Kilometer unter der Oberfläche, erhalten.
Das mysteriöse Felsgebiet, das sich fast direkt unter den Hawaii-Inseln befindet, ist eine von mehreren Ultra-Low-Velocity-Zonen – so genannt, weil Erdbebenwellen beim Durchgang langsamer werden.
Die Forschung wurde am 19. Mai 2022 in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikationist das erste, das die komplexe interne Variabilität einer dieser Taschen im Detail enthüllt und Licht auf die Landschaft des tiefen Erdinneren und die darin ablaufenden Prozesse wirft.
„Von allen Merkmalen im tiefen Inneren der Erde sind diese die faszinierendsten und komplexesten.“ — Zhi Li
„Von allen Merkmalen im tiefen Inneren der Erde sind diese die faszinierendsten und komplexesten. Wir haben jetzt den ersten soliden Beweis für ihre innere Struktur – das ist ein echter Meilenstein in der Seismologie der tiefen Erde“, sagte Hauptautor Zhi Li, Doktorand am Department of Earth Sciences in Cambridge.
Das Innere der Erde ist geschichtet wie eine Zwiebel: In der Mitte sitzt der Eisen-Nickel-Kern, umgeben von einer dicken Schicht, dem Mantel, und darüber eine dünne äußere Hülle – die Kruste, auf der wir leben. Obwohl der Mantel aus festem Gestein besteht, ist er heiß genug, um extrem langsam zu fließen. Diese internen Konvektionsströme führen Wärme an die Oberfläche, treiben die Bewegung tektonischer Platten an und befeuern Vulkanausbrüche.
Wissenschaftler verwenden seismische Wellen von Erdbeben, um unter die Erdoberfläche zu „sehen“ – die Echos und Schatten dieser Wellen offenbaren radarähnliche Bilder der tiefen inneren Topographie. Aber bis vor kurzem waren „Bilder“ der Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze, einem Bereich von Schlüsselinteresse für die Untersuchung des inneren Wärmeflusses unseres Planeten, grobkörnig und schwer zu interpretieren.
In dieser Studie verwendete Ereignisse und Sdiff-Strahlenpfade. A) Querschnitt durch das Zentrum der hawaiianischen Zone mit ultraniedriger Geschwindigkeit, der Strahlengänge von Sdiff-Wellen bei 96°, 100°, 110° und 120° für das 1D-Erdmodell PREM zeigt. Die gestrichelten Linien von oben nach unten markieren die Diskontinuität bei 410 km, 660 km und 2791 km (100 km über der Kern-Mantel-Grenze). B) Ereignisse und Sdiff-Strahlengänge auf dem Hintergrund-Tomographiemodell SEMUCB_WM1 in 2791 km Tiefe. Wasserbälle von Ereignissen, die in verschiedenen Farben dargestellt sind, darunter 20100320 (gelb), 20111214 (grün), 20120417 (rot), 20180910 (lila), 20180518 (braun), 20181030 (pink), 20161122 (grau), Stationen (Dreiecke) und Strahl Pfade von Sdiff-Wellen bei Einstechtiefe 2791 km im untersten Mantel, der in dieser Studie verwendet wurde. Das in der Kurzzeitanalyse verwendete Ereignis ist gelb hervorgehoben. Der vorgeschlagene ULVZ-Standort ist in einem schwarzen Kreis dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt den Querschnitt, der in A aufgetragen ist. Kredit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5
Die Forscher verwendeten die neuesten numerischen Modellierungsmethoden, um Strukturen im Kilometermaßstab an der Kern-Mantel-Grenze aufzudecken. Laut Co-Autor Dr. Kuangdai Leng, der die Methoden während seiner Zeit an der entwickelt hat[{” attribute=””>University of Oxford, “We are really pushing the limits of modern high-performance computing for elastodynamic simulations, taking advantage of wave symmetries unnoticed or unused before.” Leng, who is currently based at the Science and Technology Facilities Council, says that this means they can improve the resolution of the images by an order of magnitude compared to previous work.
The researchers observed a 40% reduction in the speed of seismic waves traveling at the base of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii. This supports existing proposals that the zone contains much more iron than the surrounding rocks – meaning it is denser and more sluggish. “It’s possible that this iron-rich material is a remnant of ancient rocks from Earth’s early history or even that iron might be leaking from the core by an unknown means,” said project lead Dr Sanne Cottaar from Cambridge Earth Sciences.
Conceptual cartoons of the Hawaiian ultra-low velocity zone (ULVZ) structure. A) ULVZ on the core–mantle boundary at the base of the Hawaiian plume (height is not to scale). B) a zoom in of the modeled ULVZ structure, showing interpreted trapped postcursor waves (note that the waves analyzed have horizontal displacement). Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5
The research could also help scientists understand what sits beneath and gives rise to volcanic chains like the Hawaiian Islands. Scientists have started to notice a correlation between the location of the descriptively-named hotspot volcanoes, which include Hawaii and Iceland, and the ultra-low velocity zones at the base of the mantle. The origin of hotspot volcanoes has been debated, but the most popular theory suggests that plume-like structures bring hot mantle material all the way from the core-mantle boundary to the surface.
With images of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii now in hand, the team can also gather rare physical evidence from what is likely the root of the plume feeding Hawaii. Their observation of dense, iron-rich rock beneath Hawaii would support surface observations. “Basalts erupting from Hawaii have anomalous isotope signatures which could either point to either an early-Earth origin or core leaking, it means some of this dense material piled up at the base must be dragged to the surface,” said Cottaar.
More of the core-mantle boundary now needs to be imaged to understand if all surface hotspots have a pocket of dense material at the base. Where and how the core-mantle boundary can be targeted does depend on where earthquakes occur, and where seismometers are installed to record the waves.
The team’s observations add to a growing body of evidence that Earth’s deep interior is just as variable as its surface. “These low-velocity zones are one of the most intricate features we see at extreme depths – if we expand our search, we are likely to see ever-increasing levels of complexity, both structural and chemical, at the core-mantle boundary,” said Li.
They now plan to apply their techniques to enhance the resolution of imaging of other pockets at the core-mantle boundary, as well as mapping new zones. Eventually, they hope to map the geological landscape across the core-mantle boundary and understand its relationship with the dynamics and evolutionary history of our planet.
Reference: “Kilometer-scale structure on the core–mantle boundary near Hawaii” by Zhi Li, Kuangdai Leng, Jennifer Jenkins and Sanne Cottaar, 19 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5