Die Geowissenschaften haben einen bedeutenden Fortschritt erzielt, der unser Verständnis von Erdbebenwellen und deren Verhalten in den Tiefen der Erde revolutioniert. Eine aktuelle Forschung, geleitet von Professor Motohiko Murakami von der ETH Zürich, deckt die Geheimnisse der D’’-Schicht auf, die sich etwa 2700 Kilometer unter der Erdoberfläche befindet. Diese Schicht ist bekannt für die plötzliche Steigerung der Geschwindigkeit von Erdbebenwellen, die sich dort durchlaufen. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der Fachzeitschrift Communications Earth & Environment veröffentlicht und bieten neue Einsichten in die strukturelle und dynamische Zusammensetzung des Erdmantels.
Seit mehr als einem halben Jahrhundert versuchen Wissenschaftler, die spezifischen Eigenschaften der D’’-Schicht zu verstehen. Diese Zone ist für ihre ungewöhliche Fähigkeit bekannt, die Geschwindigkeit von seismischen Wellen stark zu erhöhen, als ob diese durch ein anderes Material hindurchlaufen würden. Der Grund für dieses Phänomen war lange Zeit ein Rätsel. Im Jahr 2004 entdeckte Murakami, dass das Mineral Perowskit, das im unteren Erdmantel vorherrscht, unter den extremen Bedingungen von Druck und Temperatur in eine neue Form, den Post-Perowskit, umgewandelt wird. Diese Umwandlung wurde als mögliche Erklärung für die erhöhte Geschwindigkeit der Erdbebenwellen in der D’’-Schicht angenommen.
Jedoch stellte sich heraus, dass die bloße Phasenänderung von Perowskit nicht ausreicht, um die beobachteten Phänomene vollständig zu erklären. Im Jahr 2007 fanden Murakami und sein Team heraus, dass die Anordnung der Kristalle innerhalb des Post-Perowskit-Materials einen entscheidenden Einfluss auf die Härte und damit auf die Geschwindigkeit der seismischen Wellen hat. Sie entwickelten ein komplexes Computermodell, das zeigte, dass die Kristalle nur dann eine Beschleunigung der Wellen verursachen, wenn sie in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Diese Erkenntnis war der Schlüssel zur Erklärung der hohen Geschwindigkeiten in der D’’-Schicht.
Ein weiterer innovativer Laborversuch an der ETH Zürich bestätigte diese Hypothese. In diesem Experiment konnten die Forscher die Geschwindigkeit der seismischen Wellen unter den extremen Bedingungen nachstellen, die in der D’’-Schicht herrschen. „Wir haben damit das letzte Puzzlestück gefunden“, erklärte Murakami. Doch die entscheidende Frage blieb: Was führt dazu, dass sich die Kristalle in dieser speziellen Anordnung ausrichten?
Die Antwort liegt in der Dynamik des Erdmantels selbst. Die Forscher vermuten, dass ein langsamer, horizontaler Fluss von festem Mantelgestein am unteren Rand des Erdmantels die Kristalle in die gewünschte Richtung drängt. Dieses Phänomen wird als Mantelkonvektion bezeichnet und ist vergleichbar mit Wasser, das in einem kochenden Topf zirkuliert. Während Wissenschaftler schon lange die Existenz solcher Konvektionsströme vermuteten, konnte diese Hypothese bislang nicht direkt bewiesen werden. Die aktuellen Ergebnisse von Murakami und seinem Team belegen nun, dass diese Mantelkonvektion tatsächlich stattfindet und dass festes Gestein in den tiefen Schichten der Erde nicht nur verharrt, sondern sich kontinuierlich bewegt.
Diese Entdeckung hat nicht nur das Rätsel um die D’’-Schicht gelöst, sondern eröffnet auch neue Perspektiven auf die geologischen Prozesse, die tief im Inneren unseres Planeten ablaufen. Die Erkenntnis, dass festes Gestein in solch extremen Tiefen strömt, verändert grundlegend das Verständnis der Dynamik des Erdinneren. Murakami betont, dass diese Forschungsergebnisse zeigen, dass die Erde nicht nur an ihrer Oberfläche aktiv ist, sondern auch in den tiefsten Regionen in Bewegung bleibt.
Mit den neuen wissenschaftlichen Einsichten können Forscher nun beginnen, die Strömungen im Inneren der Erde systematisch zu kartieren. Diese Entwicklungen könnten dazu beitragen, die Mechanismen hinter Vulkanausbrüchen, der Bewegung der Erdplatten und möglicherweise sogar der Entstehung des Erdmagnetfeldes besser zu verstehen. Die vorliegenden Studien bieten somit nicht nur Antworten auf langjährige Fragen, sondern legen auch den Grundstein für zukünftige Forschungen im Bereich der Geowissenschaften.
