Brummton-Forum

Tief im Erdinneren, an der Grenze zum Kern unseres Planeten,
sammelt sich offenbar alter Meeresboden. Gesteinsanalysen zeigen, dass der tiefe Untergrund vollkommen anders aussieht als vermutet.

Hamburg - Ein Stein würde durch ein Loch in der Erde knapp 20 Minuten fallen, bis er an der Grenze zum Erdkern aufschlüge. Dort, in 2900 Kilometer Tiefe, etwa auf halbem Weg zum Mittelpunkt des Planeten, haben Forscher eine abwechslungsreiche Landschaft entdeckt: Spukhafte Schlieren driften wie Wolken über Hügel und Berge in einem Gesteinsbrei, der heiß ist wie die Sonne. Was geht vor in der Tiefe? Zwei neue Studien erlauben erstaunliche Einblicke.

An der Kern-Mantel-Grenze wummert eine Art Maschinenraum der Erde. Angeheizt vom 7000 Grad heißen Erdkern steigen Gesteinsblasen auf, wie heißer Brei in einem Topf. Die Turbulenzen wirken anscheinend bis an die Oberfläche: Sie könnten dafür sorgen, dass Kontinente über die Erde driften und Gebirge entstehen - die Umwälzungen in der Tiefe scheinen also das Festland vor der Überflutung durch die Ozeane zu bewahren.

Außerdem sammelt sich an der Kern-Mantel-Grenze offenbar der Bodensatz der Erde: Platten, die einst als Meeresboden an der Oberfläche lagen, sinken hinab und sammeln sich in rund 2800 Kilometer Tiefe auf einer Art Erdplatten-Friedhof, glauben Wissenschaftler. Auf Bildern des Erdinneren zeichnen sich dort Blöcke von 500 Kilometern Breite und mehreren tausend Kilometern Länge ab.


Seismische Tomogramme machen das Erdinnere sichtbar wie Ultraschallbilder das Kind im Bauch einer Schwangeren: Erdbebenwellen offenbaren schlierenhafte Strukturen in der Tiefe. Die Wellen durchlaufen den Planeten und verändern ihre Geschwindigkeit - je nachdem, welches Material sie passieren.

Auf dem gesamten Weg durch den Erdmantel beschleunigen die Bebenwellen. An der Kern-Mantel-Grenze aber ändert sich ihre Geschwindigkeit auf geradezu chaotische Weise: Mal werden sie langsamer, mal schneller. Die Ursache sind Dichteunterschiede - in weniger dichtem Material wie Magma pflanzen sich Wellen langsamer fort als in festem Gestein.

Jetzt liefern Forscher Belege für den Erdplatten-Friedhof: Bei manchen der schlierenhaften Gebilde an der Erdkern-Grenze könnte es sich tatsächlich um abgesunkene Platten handeln, berichten Forscher um Denis Andrault von der Université Blaise Pascal im französischen Clermont-Ferrand im Wissenschaftsmagazin "Science": Ihre Laborexperimente zeigen, dass Meeresbodengestein tatsächlich die Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze erklären kann.

Der Apfel-Vergleich

Die Geophysiker setzten Basalt, das typische Gestein aus Meeresboden-Erdplatten, im Labor Bedingungen aus, wie sie an der Kern-Mantel-Grenze zu erwarten sind: Eine Spezialpresse quetschte ihn unter der Last von rund 1300 Tonnen bei bis zu 4000 Grad. Anschließend durchleuchteten die Forscher das Gestein mittels seismischer Tomografie. Das Ergebnis beeindruckt: Tatsächlich erzeugten Druckwellen, die den malträtierten Fels durchliefen, Muster wie auf Bildern vom Erdinneren.

Angeschmolzenes Meeresbodengestein sei demnach eine "plausible mögliche Erklärung" für die Schlieren an der Kern-Mantelgrenze, bestätigt der Geophysiker Hans Reichmann vom Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ). Herrschten in der Tiefe allerdings nur etwas andere Bedingungen als angenommen, wären die Experimente nicht mehr so klar zu deuten, gibt Ulrich Hansen von der Universität Münster zu bedenken. In diesem Fall seien die rechteckigen Strukturen auf den Bildern vom Erdinneren nicht mehr einfach mit absinkendem Meeresboden zu erklären.

Hansen deutet damit auf das zentrale Problem: Die Kenntnisse über das Erdinnere sind äußerst lückenhaft. Das Innere der Sonne ist besser erforscht als das Zentrum der Erde. Aus der Sonne dringen elektromagnetische Signale nach außen, die Geheimnisse über ihr Inneres verraten. Bohrungen in unseren Heimatplaneten hingegen sind bislang nur bis in zwölf Kilometer Tiefe geglückt. Wäre die Erde ein Apfel, hätten wir noch nicht annähernd die Schale durchstoßen.

Zertrümmerte Gewissheit

Die Kenntnisse aus dem Erdinneren stammen vor allem von Vulkaneruptionen und aus der Analyse von Erdbebenwellen. Doch viele der Schlieren auf den Bildern vom Erdinneren bleiben rätselhaft. Ein weiteres Experiment in einer Hochdruckpresse erschüttert nun auch noch eine der wenigen Annahmen über das Erdinnere, die als vergleichsweise sicher galt - die Welt des unteren Erdmantels erweist sich als vollkommen anders als erwartet.

Bislang glaubte man zumindest eines über die Welt der Tiefe zu wissen: Das Gestein des unteren Mantels bestehe ab etwa 2200 Kilometer Tiefe aus dem Mineral Perowskit, einer aus würfelförmigen Kristallen aufgebauten Verbindung aus Eisen, Magnesium und Silizium. Doch das sei ein Irrtum, berichten nun Forscher um Li Zhang vom Geoforschungszentrum HPSTAR in Schanghai im Wissenschaftsmagazin "Science": Die Würfelminerale seien nicht stabil unter dem Hochdruck des unteren Mantels, sie zerfielen.

Auch diese Entdeckung verdanken die Wissenschaftler einer Hochdruckpresse: Zwischen Stempeln aus Diamant gezwängt setzten die Forscher würfelförmigen Perowskit dem Hochdruck des unteren Mantels aus. Das Mineral konnte der Presse nicht widerstehen, es wandelte sich zu einer sechseckigen Verbindung, einer sogenannten "H-Phase", der "hexagonalen Phase". "Der untere Mantel besteht aus einer bislang nicht identifizierten Struktur", schreiben die Forscher. Es ist, als ob man gerade erkannt hätte, dass die Sahara keine Wiese, sondern eine Wüste ist.

Diamanten-Nachschub

"Dieses provokante Ergebnis wird wohl noch für Aufregung sorgen", sagt Hans Reichmann. Es werfe eine entscheidende Frage auf: Warum hat man den Hauptbestandteil des unteren Mantels bislang übersehen? Offenbar falle die Umweltveränderung in der Tiefe nicht auf, weil sich die Geschwindigkeit der Erdbebenwellen beim Übergang zur H-Phasen-Region nicht markant ändere, schreibt Quentin Williams von der University of California in Santa Cruz in "Science".

Der untere Erdmantel erscheine nun in ganz neuem Licht, staunt auch die Geophysikerin Christine Thomas von der Universität Münster. Womöglich könne die H-Phase manch mysteriöse Strukturen an der Grenze zum Erdkern erklären: Würde sich das Mineral teils umwandeln, könnte es einige der rätselhaften Schlieren in der Tiefe begründen, meint auch Williams.

Wie Honig scheinen sich die Schlieren zähflüssig im unteren Mantel auszubreiten, manche formen riesige Haufen. Große Vulkane wie die von Hawaii oder Diamantreservoire Südafrikas stehen über solchen Haufen - womöglich bilden sie die Wurzeln der vulkanischen Gewalten an der Oberfläche.

In 2900 Kilometern Tiefe liegt demnach nicht nur die letzte Ruhestätte für Erdplatten. Der dortige Gesteinsbrei liefert anscheinend Nachschub für frischen Erdboden.