Der untere Mantel ist die dicke vierte Schicht im Inneren. (johan63/iStock/Getty Images) Wissenschaftler haben das schwerste Erdbeben aller Zeiten entdeckt, und zwar in einer atemberaubenden Tiefe von 751 Kilometern unter der Erdoberfläche.
Diese Tiefe bringt das Beben in den unteren Erdmantel, wo Seismologen es erwartet hatten Erdbeben unmöglich sein. Das liegt daran, dass Gesteine unter extremen Drücken eher dazu neigen, sich zu verbiegen und zu verformen, als dass sie durch eine plötzliche Energiefreisetzung brechen.
Aber Mineralien verhalten sich nicht immer genau wie erwartet, sagte Pamela Burnley, Professorin für Geomaterialien an der University of Nevada in Las Vegas, die nicht an der Forschung beteiligt war. Selbst bei Drücken, bei denen sie sich in andere, weniger erdbebengefährdete Zustände umwandeln sollten, können sie in alten Konfigurationen verharren.
„Nur weil sie sich ändern sollten, heißt das nicht, dass sie es auch tun werden“, sagte Burnley gegenüber WordsSideKick.com. Was das Erdbeben also offenbaren kann, ist, dass die Grenzen darin liegen Erde sind unschärfer, als ihnen oft zugeschrieben wird.
Die Grenze überschreiten
Über das Beben wurde erstmals im Juni im Journal berichtet Geophysikalische Forschungsbriefe Es handelte sich um ein leichtes Nachbeben eines Bebens der Stärke 7,9, das 2015 die Bonin-Inseln vor dem japanischen Festland erschütterte. Forscher unter der Leitung des Seismologen Eric Kiser von der University of Arizona entdeckten das Beben mithilfe der japanischen Hi-net-Reihe seismischer Stationen.
Das Array sei das derzeit leistungsstärkste System zur Erdbebenerkennung, sagte John Vidale, ein Seismologe an der University of Southern California, der nicht an der Studie beteiligt war. Das Beben war klein und an der Oberfläche nicht zu spüren, daher waren empfindliche Instrumente erforderlich, um es zu finden.
Die Tiefe des Erdbebens müsse noch von anderen Forschern bestätigt werden, sagte Vidale gegenüber WordsSideKick.com, aber der Befund scheine zuverlässig zu sein. „Sie haben gute Arbeit geleistet, daher denke ich, dass es wahrscheinlich richtig ist“, sagte Vidale.
Das macht das Beben zu einer Art Kopfzerbrechen. Die überwiegende Mehrheit der Erdbeben ist flach und hat ihren Ursprung in der Erdkruste und im oberen Erdmantel innerhalb der ersten 62 Meilen (100 km) unter der Oberfläche.
In der Kruste, die sich im Durchschnitt nur etwa 20 km in die Tiefe erstreckt, sind die Gesteine kalt und spröde. Wenn diese Gesteine einer Belastung ausgesetzt werden, können sie sich laut Burnley nur ein wenig biegen, bevor sie brechen und Energie wie eine Spiralfeder freisetzen.
Tiefer in der Kruste und im unteren Erdmantel sind die Gesteine heißer und liegen höher Drücke , wodurch sie weniger anfällig für Brüche sind. Aber in dieser Tiefe kann es zu Erdbeben kommen, wenn hoher Druck auf mit Flüssigkeit gefüllte Poren im Gestein drückt und die Flüssigkeit herausdrückt. Unter diesen Bedingungen seien Gesteine auch anfällig für Sprödbruch, sagte Burnley.
Diese Art von Dynamik kann Beben bis zu einer Tiefe von 249 Meilen (400 km) erklären, die immer noch im oberen Erdmantel liegt. Aber schon vor dem Bonin-Nachbeben 2015 wurden Beben im unteren Erdmantel bis zu einer Tiefe von etwa 420 Meilen (670 km) beobachtet.
Diese Beben seien schon lange ein Rätsel, sagte Burnley. Die Poren in den Gesteinen, in denen Wasser gespeichert ist, wurden zugedrückt, sodass Flüssigkeiten kein Auslöser mehr sind.
„In dieser Tiefe sollte unserer Meinung nach das gesamte Wasser verdrängt werden, und wir sind definitiv weit, weit von dem Punkt entfernt, an dem wir klassisches sprödes Verhalten beobachten würden“, sagte sie. „Das war schon immer ein Dilemma.“
Ein Großteil des Erdmantels besteht aus dem Mineral Olivin. (underworld111/Getty Images)
Mineralien verändern
Das Problem bei Erdbeben tiefer als etwa 249 Meilen hängt mit der Art und Weise zusammen, wie sich die Mineralien unter Druck verhalten. Ein Großteil des Erdmantels besteht aus einem Mineral namens Olivin, das glänzend und grün ist.
Ungefähr 249 Meilen tiefer verursachte der Druck Olivin Atome in eine andere Struktur umzuordnen, ein bläuliches Mineral namens Wadsleyit. Weitere 62 Meilen (100 km) tiefer ordnet sich Wadsleyit wieder in Ringwoodit um. Schließlich zerfällt Ringwoodit etwa 680 km tief im Erdmantel in zwei Mineralien: Bridgmanit und Periklas.
Natürlich können Geowissenschaftler nicht so weit in die Erde vordringen, aber sie können mit Laborgeräten extreme Drücke erzeugen und diese Veränderungen an der Oberfläche bewirken. Und da sich seismische Wellen unterschiedlich durch verschiedene Mineralphasen bewegen, können Geophysiker Anzeichen dieser Veränderungen erkennen, indem sie Vibrationen untersuchen, die durch große Erdbeben verursacht werden.
Dieser letzte Übergang markiert das Ende des oberen Mantels und den Beginn des unteren Mantels. Das Wichtige an diesen Mineralphasen sind nicht ihre Namen, sondern dass sie sich jeweils unterschiedlich verhalten. Es ähnelt Graphit und Diamanten, sagte Burnley.
Beide bestehen aus Kohlenstoff , aber in unterschiedlichen Arrangements. Graphit ist die Form, die an der Erdoberfläche stabil ist, während Diamanten die Form sind, die tief im Erdmantel stabil ist. Und beide verhalten sich sehr unterschiedlich: Graphit ist weich, grau und rutschig, während Diamanten extrem hart und klar sind.
Wenn sich Olivin in seine Hochdruckphasen umwandelt, wird es wahrscheinlicher, dass es sich verbiegt und weniger wahrscheinlich, dass es auf eine Weise bricht, die Erdbeben auslöst.
Bis in die 1980er-Jahre waren Geologen über Erdbeben im oberen Erdmantel verwirrt, und noch immer sind sich nicht alle einig, warum sie dort auftreten. Burnley und ihr Doktorvater, der Mineraloge Harry Green, waren diejenigen, die eine mögliche Erklärung fanden.
Bei Experimenten in den 1980er Jahren stellten die beiden fest, dass die Olivin-Mineralphasen nicht so sauber und sauber waren. Unter bestimmten Bedingungen kann Olivin beispielsweise die Wadsleyit-Phase überspringen und direkt in die Ringwoodit-Phase übergehen. Und genau am Übergang vom Olivin zum Ringwoodit könnte das Mineral unter genügend Druck tatsächlich brechen, anstatt sich zu verbiegen.
„Wenn in meiner Probe keine Transformation stattfinden würde, würde sie nicht kaputt gehen“, sagte Burnley. „Aber in dem Moment, in dem die Verwandlung stattfand und ich sie gleichzeitig zerquetschte, brach sie zusammen.“
Burnley und Green berichteten 1989 über ihre Entdeckung im Tagebuch Natur , was darauf hindeutet, dass dieser Druck in der Übergangszone Erdbeben unterhalb von 249 Meilen erklären könnte.
Tiefer gehen
Das neue Bonin-Erdbeben liegt jedoch tiefer als diese Übergangszone. In einer Tiefe von 467 Meilen entstand es an einer Stelle, die genau im unteren Erdmantel liegen sollte.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Grenze zwischen dem oberen und unteren Mantel einfach nicht genau dort ist, wo Seismologen sie in der Bonin-Region erwarten, sagte Heidi Houston, eine Geophysikerin an der University of Southern California, die nicht an der Arbeit beteiligt war.
Das Gebiet vor der Insel Bonin ist a Subduktionszone wo eine Platte ozeanischer Kruste unter eine Platte kontinentaler Kruste taucht. So etwas neigt dazu, einen verzerrenden Effekt zu haben.
„Es ist ein komplizierter Ort, wir wissen nicht genau, wo diese Grenze zwischen dem oberen und unteren Mantel verläuft“, sagte Houston gegenüber WordsSideKick.com.
Die Autoren des Papiers argumentieren, dass sich die abtauchende Krustenplatte im Wesentlichen fest genug auf dem unteren Mantel niedergelassen haben könnte, um die dortigen Gesteine einer enormen Belastung auszusetzen und so viel Hitze und Druck zu erzeugen, dass es zu einem sehr ungewöhnlichen Bruch kommt.
Burnley vermutet jedoch, dass die wahrscheinlichste Erklärung darin liegt, dass sich Mineralien schlecht – oder zumindest seltsam – verhalten.
Die kontinentale Kruste, die zum Erdmittelpunkt hin abfällt, sei viel kühler als die umgebenden Materialien, sagte sie, und das bedeute, dass die Mineralien in der Gegend möglicherweise nicht warm genug seien, um die Phasenänderungen durchzuführen, die sie bei einem bestimmten Druck durchführen sollen.
Auch hier seien Diamanten und Graphit ein gutes Beispiel, sagte Burnley. Diamanten sind an der Erdoberfläche nicht stabil, was bedeutet, dass sie sich nicht spontan bilden würden, aber sie zerfallen nicht zu Graphit, wenn man sie in Verlobungsringe steckt.
Das liegt daran, dass die Kohlenstoffatome eine gewisse Energiemenge benötigen, um sich neu anzuordnen, und diese Energie bei den Oberflächentemperaturen der Erde nicht verfügbar ist. (Es sei denn, jemand zerschneidet den Diamanten mit einem Röntgenlaser .)
Etwas Ähnliches könnte in der Tiefe mit Olivin passieren, sagte Burnley. Das Mineral steht möglicherweise unter ausreichendem Druck, um sich in eine nicht spröde Phase umzuwandeln, aber wenn es zu kalt ist – beispielsweise aufgrund einer riesigen Schicht kühler kontinentaler Kruste rundherum – bleibt es möglicherweise Olivin.
Dies könnte erklären, warum ein Erdbeben in der unteren Kruste entstehen könnte: Dort unten ist es einfach nicht so heiß, wie Wissenschaftler erwarten.
„Meine allgemeine Annahme ist, dass, wenn das Material kalt genug ist, um genug Spannung aufzubauen, um sie bei einem Erdbeben plötzlich freizusetzen, es auch kalt genug ist, dass das Olivin in seiner Olivinstruktur stecken bleibt“, sagte Burnley.
Was auch immer die Ursache des Bebens sei, es werde sich wahrscheinlich nicht oft wiederholen, sagte Houston. Nur etwa die Hälfte der Subduktionszonen auf der Welt erleben überhaupt tiefe Erdbeben, und ein großes Beben dieser Art, das diesem extrem tiefen Erdbeben vorausging, kommt im Durchschnitt nur alle zwei bis fünf Jahre vor.
„Das ist ein verdammt seltenes Ereignis“, sagte sie.
Verwandter Inhalt:
Die 8 größten Geheimnisse der Erde
10 Wege, wie die Erde ihre Verrücktheit offenbarte
50 interessante Fakten über die Erde
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Live-Wissenschaft . Lies das Originalartikel hier .