Die Kern-Mantel-Grenze der Erde

Inhaltsverzeichnis

1. Vorherrschende Bedingungen

2. Theorien zu Vorgängen an der CMB
2.1 Absinken ozeanischer Platten und Bildung von Mantelplumes
2.2 Ultra-low-velocity-zones (ULVZ)
2.3 Beispiele für Möglichen Aufbau der D“Schicht

3. Mineralstrukturen im Bereich der CMB

1. Vorherrschende Bedingungen

Die eigentliche Kern-Mantel-Grenze liegt in einer Tiefe von ca. 2900 Kilometern und wird auch als Wiechert-Gutenberg-Diskontinuität bezeichnet. Da man die Erde und ihren Schalenbau nicht direkt untersuchen kann, hat man diese Grenze aus den Veränderungen der Geschwindigkeiten von P- und S- Wellen abgeleitet. S-Wellen, also Scherwellen durchdringen keine Flüssigkeiten, weshalb man aus dem nicht Vorhandensein dieser Wellen im äußeren Erdkern darauf schließt, dass dieser flüssig sei. Auch die Geschwindigkeit der P- Wellen verändert sich an der Kern-Mantel-Grenze sprunghaft, wie in Abbildung 1 zu sehen ist.

In der Abbildung ist allerdings nicht zu sehen, dass über der Kern-Mantel-Grenze eine etwa 200 bis 300 Kilometer mächtige Schicht zu finden ist, in der sowohl Wellengeschwindigkeiten, als auch Temperatur und Dichte stark variieren. Man nennt diesen Bereich die D“-Schicht.

„Untersuchungen der seismischen Wellen, die diesen Bereich durchlaufen haben, ergaben große laterale Schwankungen hinsichtlich Mächtigkeit und Zusammensetzung innerhalb dieser Grenzschicht, aber auch eine Abnahme der P-Wellengeschwindigkeit um etwa 10 Prozent oder mehr in den untersten 20 Kilometern - ein Hinweis auf einen partiell geschmolzenen Zustand“ (PRESS/ SIEVER, S.517).

Außerdem herrschen in der D“-Schicht Temperaturen zwischen 2000 und 4000 Kelvin sowie Drücke von bis zu 135 Gigapascal vor.¹

Um die starken Temperaturunterschiede zu erklären, „wird die D“-Schicht häufig als thermische Grenzschicht im unteren Mantel angesehen: Wärme tritt durch Diffusion vom darunter liegenden Kern ein und wird sowohl durch das großräumige Mantelströmungsfeld als auch durch Mantelplumes weiter nach oben transportiert“ (www.geo.uni-potsdam.de). Auf die Entstehung dieser Mantelplumes und weitere Prozesse an der Kern-Mantel-Grenze soll nun im folgenden Abschnitt genauer eingegangen werden.

Insgesamt ist die D“-Schicht in ihren Eigenschaften inhomogen, was Fragen über ihren Aufbau und die Zusammensetzung aufwirft.

2. Theorien zu Vorgängen an der Kern-Mantel-Grenze

Wie bereits erwähnt basieren die Theorien zu den Vorgängen an der Kern-Mantel-Grenze aus Schlussfolgerungen aus den Veränderungen der seismischen Wellengeschwindigkeiten beim Durchlaufen dieses Bereiches. Daher ist es schwierig diese Vermutungen sicher zu belegen. Im folgenden soll deshalb auf aktuell bestehende Theorien eingegangen werden.

2.1. Absinken ozeanischer Platten und Bildung von Mantelplumes

Wie auch in Abbildung 2 zu erkennen, geht man davon aus, dass die subduzierten ozeanischen Platten im Erdmantel weiter absinken und sich schließlich an der Kern-Mantel- Grenze anlagern. Diese sogenannte Plume-Theorie steht in Konkurrenz zu der Annahme, dass die ozeanischen Platten bereits im oberen Mantel aufschmelzen und von dort aus als Magmen wieder aufsteigen.

Die Plume-Theorie geht davon aus, dass die zur Kern-Mantel-Grenze abgesunkenen ozeanischen Platten dort auf den flüssigen Erdkern drücken und diesen „eindellen“. Die Grenze zwischen Mantel und Kern, bzw. die D“-Schicht wird an dieser stelle besonders dünn. Das so verdrängte Material bildet an anderen Stellen Ausbuchtungen, also eine besonders dicke D“-Schicht, wie ebenfalls in Abbildung 2 zu sehen ist.

In diesen Bereichen kann das heißere Material der D“-Schicht als so genannter Plume aufsteigen. Man geht davon aus, dass so unter anderem Hot spots entstehen.

Auf diese Weise kommt es auch zu einer gewissen Durchmischung des Mantels, der sogenannten Mantelkonvektion, die in Abbildung 3 dargestellt ist.

Obwohl durch die Überlegung einer unterschiedlich dicken D“-Schicht und die Temperaturunterschiede aufgrund der aufsteigenden Plumes einige Phänomene an der Kern- Mantel-Grenze begründet werden können, reichen diese Annahmen für eine vollständige Erklärung der Änderung der Wellengeschwindigkeiten und der weiteren Inhomogenitäten nicht aus.

2.2. Ultra-low-velocity-zones (ULVZ)

In der Nähe der Kern-Mantel-Grenze wurden mit Hilfe von seismischen Wellen so genannte ultra-low-velocity-zones entdeckt. In diesen Bereichen bewegen sich die S-Wellen äußerst langsam fort. Allerdings sind diese Bereiche nicht in allen Bereichend er CMB zu finden, sondern nur regional verteilt. Ihre Dicke liegt zwischen 5 und 40 Kilometern². Wahrscheinlich handelt es sich hierbei um partiell geschmolzenes Mantelmaterial, aus dem schließlich die Plumes entstehen (siehe Abbildung 4). Warum genau das Material schmilzt ist nicht nachgewiesen. Möglicherweise hängt der Schmelzvorgang mit Wärmetransport aus dem Kern zusammen, es könnte allerdings auch sein, dass eine Durchmischung mit dem äußeren Kern stattfindet und das dabei in das Mantelgestein eingebrachte Eisen dessen Schmelzpunkt senkt.

2.3. Beispiele für Möglichen Aufbau der D“Schicht

Wie bereits in den vorangegangenen Abschnitten erwähnt, ist der Aufbau der D“-Schicht recht komplex und regional unterschiedlich. Der Bereich unterhalb der Subduktionszone im Westen Südamerikas ist ein recht gut untersuchtes Beispiel für einen Bereich mit absinkender ozeanischer Platte, die die D“-Schicht „eindellt“. Im benachbarten Bereich befinden sich ULVZ aus welchen Magma aufsteigt. Ein typisches Beispiel für einen Hot spot ist Hawaii. Hier ist vermutlich ein größeres Gebiet der CMB mit einer ULVZ „bedeckt“. In Abbildung 5 ist dieser Bereich in einer bräunlichen Farbe gehalten. Unter dem Südatlantik und Südafrika befindet sich eine große Low-Velocity-Struktur, die sich nach oben in den unteren Mantel ausbreitet. Von hier aus steigen mehrere Hot spots auf ³.

3. Mineralstrukturen im Bereich der Kern-Mantel-Grenze

Der Erdmantel besteht aus silikatischen Gesteinen, die mit zunehmender Tiefe in dichtere Mineralstrukturen übergeht. Man ist sich nicht sicher, ob der gesamte Mantel die gleiche chemische Zusammensetzung hat, woraus 3 verschiedene Mantelmodelle entstanden (siehe Abbildung 7). Aber alle 3 Modelle gingen davon aus, dass ein Großteil bzw. alle Bestandteile des untersten Bereiches des Erdmantels in Perovskit-Struktur vorliegen. Das Mantelmineral hat die Formel (Mg,Fe)SiO3, wobei Silizium und Sauerstoff Oktaeder ausbilden. In den Oktaederlücken sitzen die Eisen- oder Magnesiumionen. In Abbildung 7 ist die Struktur des Perovskit dargestellt.

„Da diese Verbindung unglaublich stabil ist, glaubte man lange, der ganze untere Erdmantel bestehe aus diesem Mineral“ (http://www.ethlife.ethz.ch/articles/tages/D2_Schicht1.html). In einer Veröffentlichung von A.R. Oganov und S. Ono in der Zeitschrift Nature im Jahr 2004 beschreiben diese allerdings eine neu entdeckte Mineralphase namens post-perovskit. Dieses ist nicht isotrop, sondern weist eine Schichtstruktur (Abbildung 8), welche möglicherweise eine Erklärung für das Verhalten der seismischen Wellen in der D“-Schicht liefern könnte. Aufgrund der Anisotropie passieren die Wellen je nach Orientierung das Mineral unterschiedlich schnell, was die starken Schwankungen der gemessenen Wellengeschwindigkeiten nach sich zieht. Außerdem ist der Übergang von Perovskit zu Post- Perovskit stark temperaturabhängig, weshalb in Bereichen von hohen Manteltemperaturen erst mit zunehmender Tiefe ein Übergang der Struktur zu erwarten ist. Die Post-Perovskit- Schicht ist dort weniger mächtig.

Man könnte also insgesamt den Übergang zwischen Perovskit- und Post-Perovskit-Struktur mit der oberen Grenze der D“-Schicht gleichsetzen.

Vollständig sind die Zusammenhänge zwischen der neu entdeckten Mineralphase und den Ereignissen an der Kern-Mantel-Grenze allerdings noch nicht geklärt. Hier besteht auch für die Zukunft noch erheblicher Forschungsbedarf.

[...]

¹ DUFFY, S.409

² DUFFY, S. 410

³ GARNERO, S.835