Geo­wis­sen­schaft­li­che For­schung in Bay­reuth ent­rät­selt die Ent­ste­hung tie­fer Erdbeben

Symbolbild Bildung

Erd­be­ben im tie­fen Erd­in­ne­ren haben der For­schung bis­lang Rät­sel auf­ge­ge­ben. Dr. Takayu­ki Ishii vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und Prof. Dr. Eiji Ohta­ni von der Toho­ku-Uni­ver­si­tät in Japan, der dem BGI als Hum­boldt-Preis­trä­ger ver­bun­den ist, haben jetzt in „Natu­re Geo­sci­ence“ eine durch Hoch­druck- und Hoch­tem­pe­ra­tur-Expe­ri­men­te gestütz­te Erklä­rung ver­öf­fent­licht: Wenn eine nas­se Erd­plat­te in den Erd­man­tel absinkt, blei­ben die dar­in ent­hal­te­nen Oli­vin-Kri­stal­le bis zu einer Tie­fe von rund 600 Kilo­me­tern trocken. Hier kön­nen Pha­sen­über­gän­ge der Oli­vin-Kri­stal­le tie­fe Erd­be­ben und Plat­ten­de­for­ma­tio­nen aus­lö­sen.

Die Litho­sphä­re, die äußer­ste Scha­le der Erde, besteht aus groß­räu­mi­gen Plat­ten, die sich in stän­di­ger Bewe­gung befin­den. Ins­be­son­de­re dann, wenn eine ozea­ni­sche und eine kon­ti­nen­ta­le Plat­te auf­ein­an­der pral­len, kann es zur Sub­duk­ti­on kom­men: Die ozea­ni­sche Plat­te schiebt sich unter die kon­ti­nen­ta­le Plat­te und sinkt immer tie­fer ins Erd­in­ne­re hin­ab. In einer Tie­fe von 410 Kilo­me­tern erreicht sie die Über­gangs­zo­ne zwi­schen dem obe­ren und dem unte­ren Erd­man­tel, der ab einer Tie­fe von 660 Kilo­me­tern beginnt. Schon lan­ge ist bekannt, dass tie­fe Erd­be­ben im Zusam­men­hang mit Sub­duk­ti­ons­vor­gän­gen ste­hen. Die genaue Ursa­che die­ser Beben blieb aber bis heu­te rät­sel­haft. Denn eine zen­tra­le Annah­me, die eine plau­si­ble Erklä­rung ermög­li­chen wür­de, schien para­dox: Die absin­ken­de Erd­plat­te ent­hält reich­lich Was­ser, da sie im Kon­takt mit dem Meer war, aber aus­ge­rech­net das Mine­ral Oli­vin, der Haupt­be­stand­teil der Erd­plat­te, müss­te auf dem Weg ins Erd­in­ne­re trocken bleiben.

Genau die­se Annah­me konn­ten die bei­den For­scher durch Hoch­druck- und Hoch­tem­pe­ra­tur-Expe­ri­men­te im Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI), einem For­schungs­zen­trum der Uni­ver­si­tät Bay­reuth, jetzt veri­fi­zie­ren: Bis zu einer Tie­fe von rund 600 Kilo­me­tern bleibt Oli­vin tat­säch­lich trocken, oder genau­er gesagt: Der Was­ser­ge­halt der Oli­vin-Kri­stal­le stellt bis zu die­ser Tie­fe nur einen mil­li­on­stel Teil ihrer Mas­se dar und ist daher ver­schwin­dend gering. Die Expe­ri­men­te zei­gen deut­lich, dass der Was­ser­ge­halt des Oli­vins in absin­ken­den Erd­plat­ten bis­her über­schätzt wur­de. Der Grund dafür ist, dass dies­be­züg­li­che Expe­ri­men­te andern­orts bei höhe­ren Tem­pe­ra­tu­ren durch­ge­führt wur­den, als sie in den Erd­plat­ten tat­säch­lich gege­ben sind.

Ent­schei­dend für die jetzt gefun­de­ne Erklä­rung von tie­fen Erd­be­ben ist ein wei­te­rer Befund der neu­en Stu­die: Die was­ser­hal­ti­gen Mine­ra­le der Erd­plat­te neh­men auf ihrem Weg in die Tie­fe wei­te­res Was­ser auf. Von den trocke­nen Oli­vin-Kri­stal­len abge­se­hen, ist die Erd­plat­te auf­grund die­ser Mine­ra­le feucht. Unter­halb von 410 Kilo­me­tern ist sie nun einer stei­gen­den Tem­pe­ra­tur aus­ge­setzt. Infol­ge­des­sen setzt eine Dehy­drie­rung ein: Die was­ser­hal­ti­gen Mine­ra­le der Erd­plat­te geben Was­ser­mo­le­kü­le ab. Die trocke­nen Oli­vin­kri­stal­le begin­nen jetzt, eini­ge die­ser Was­ser­mo­le­kü­le auf­zu­neh­men. Infol­ge­des­sen kommt es zu Pha­sen­über­gän­gen: Der Oli­vin wan­delt sich in die Mine­ra­le Wads­ley­it oder Ring­woo­dit. Die­se Pha­sen­über­gän­ge kön­nen zu einer plötz­li­chen Ver­rin­ge­rung des Volu­mens füh­ren. Und genau dadurch wer­den star­ke Erd­be­ben aus­ge­löst, bis zu einer Tie­fe von rund 600 Kilo­me­tern. Die For­scher haben noch einen wei­te­ren Zusam­men­hang ent­deckt: Weil Was­ser in die Mine­ra­le ein­ge­drun­gen ist, kön­nen die Pha­sen­über­gän­ge eine Auf­wei­chung der Erd­plat­te bewir­ken, was die Ver­for­mung der Plat­te erleich­tert. Sol­che auf­fäl­li­gen Defor­ma­tio­nen sind bereits durch seis­mi­sche Beob­ach­tun­gen in vie­len absin­ken­den Erd­plat­ten fest­ge­stellt worden.

„Wir behaup­ten in unse­rer Stu­die nicht, dass Pha­sen­über­gän­ge von Oli­vin im tie­fen Erd­in­ne­ren die ein­zi­gen Aus­lö­ser für tie­fe Erd­be­ben sind. Es scheint auch Erd­be­ben unter­halb von 660 Kilo­me­tern zu geben, die nicht mit Pha­sen­über­gän­gen des Oli­vins erklär­bar sind. Bei der Suche nach ihren Ursa­chen könn­te aber die tem­pe­ra­tur­be­ding­te Dehy­drie­rung von was­ser­hal­ti­gen Hoch­druck-Mine­ra­len, die sich in der Über­gangs­zo­ne zum unte­ren Erd­man­tel abspielt, wich­ti­ge Hin­wei­se geben“, sagt Dr. Takayu­ki Ishii, kor­re­spon­die­ren­der Autor der Studie.

Dr. Takayu­ki Ishii wur­de an der Gakus­hūin-Uni­ver­si­tät in Tokio, Japan, pro­mo­viert. 2015 kam er zur Uni­ver­si­tät Bay­reuth, sei­ne For­schungs­ar­bei­ten am BGI wur­den von der Japan Socie­ty for the Pro­mo­ti­on of Sci­ence (JSPS), der Alex­an­der von Hum­boldt-Stif­tung und der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft (DFG) geför­dert. Zur­zeit ist er am Cen­ter for High Pres­su­re Sci­ence and Tech­no­lo­gy Advan­ced Rese­arch in Peking tätig. Prof. Dr. Eiji Ohta­ni von der Toho­ku-Uni­ver­si­tät in Japan war 2018 als For­schungs­preis­trä­ger der Alex­an­der von Hum­boldt-Stif­tung am BGI zu Gast. Bereits 2016, anläss­lich des 30jährigen Grün­dungs­ju­bi­lä­ums des BGI, erhielt er hier die Ernen­nung zum Distin­guis­hed Affi­lia­ted Pro­fes­sor der Uni­ver­si­tät Bayreuth.