Die Vermessung des Erdinneren

Verschiedene Erdplatten drücken und schieben gegeneinander und bilden so nach und nach Gebirge, Vulkane oder verursachen Erdbeben. Um die Vorgänge der Platten­tektonik besser zu verstehen, ist die Lithosphäre – die Erdkruste und der darunter liegende Erdmantel – von entscheidender Bedeutung. Die Euro­päische Weltraum­organisation ESA hat jetzt ein neues 3D-Modell veröffentlicht, um die Lithosphäre genauer als bisher zu beschreiben. An dem inter­nationalen Projekt sind auch Wissenschaftler aus dem Institut für Geowissenschaften der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beteiligt, die dafür konven­tionelle geophysi­kalische Methoden mit satelliten­gestützten Daten kombinierten. Vom 29. März bis 1. April wird das gesamte Forschungs­projekt Ergebnisse und Anwendungs­möglichkeiten der Methode bei der vom Kieler Team ausge­richteten inter­nationalen „3D-Earth Spring School“ online vorstellen.

Bei einem Erdbeben treten seismische Wellen auf, deren Geschwin­digkeit gemessen wird, um mehr über die Verteilung der physi­kalischen Eigen­schaften im Erdinneren zu erfahren. Wie schnell sich diese Wellen ausbreiten, wird hauptsächlich von der Temperatur und von der Dichte des Gesteins bestimmt. „Satelliten­gestützte Gravitations­daten können hier wertvolle Ergänzungen liefern, denn die Gesteins­dichte beeinflusst die Stärke des Schwerkraft­signals. Außerdem ermitteln Satelliten sehr genaue Daten für die gesamte Erdober­fläche und decken damit auch Gebiete ab, in denen es kaum Boden­messungen gibt", erklärt Geophysiker Nils Holzrichter aus der Arbeits­gruppe Satelliten- und Aero­geophysik.

Das neue 3D-Modell der Lithosphäre kombiniert globale Gravitations­daten des GOCE-Satelliten –Gravity field and steady-state ocean circulation explorer, seismo­logische Beobach­tungen und Gesteins­informationen. „Mit der Kombination von Satelliten-, Erdbeben- und Gesteinsdaten können wir gewisser­maßen mit einer Lupe auf das bekannte Schalen­modell des Erdinneren schauen und die einzelnen Schichten viel genauer als bisher differen­zieren“, erklärt Holz­richter, der unter anderem die Daten für das 3D-Modell aufbereitet hat. „Da es sich um ein globales Referenz­modell handelt, lassen sich damit auch Studien aus verschie­denen Regionen der Welt besser miteinander vergleichen.“

Angewendet hat das Kieler Forschungs­team das Modell bereits auf das Lauren­tidische Eisschild: Die massive Eisschicht bedeckte während der letzten Eiszeit Teile des heutigen Kanadas und der USA und drückte die Landmassen mit ihrem Gewicht nieder. Vor 20.000 Jahren schmolzen die Gletscher ab und seitdem hebt sich der nord­amerikanische Kontinent wieder an. „Mit unserer Methode lässt sich konkreter als bisher ermitteln, welche weitere Hebung noch zu erwarten ist“, sagt Wolfgang Szwillus. Demnach ist mit einer weiteren Hebung von mindestens 200 Metern zu rechnen. Dass auch 20.000 Jahre nach Abschmelzen der Gletscher die Prozesse nicht abge­schlossen sind, zeigt, wie träge der Erdmantel reagiert hat. „Ein besseres Verständnis davon, wie schnell die Litho­sphäre auf Eismassen­verluste reagiert, ist mit Blick auf den Klima­wandel ausgesprochen wichtig“, ergänzt Szwillus.

CAU Kiel / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. M. Reusen et al.: Long‐Wavelength Gravity Field Constraint on the Lower Mantle Viscosity in North America, JGR Solid Earth 125, e2020JB020484 (2020); DOI: 10.1029/2020JB020484
• J. Fullea et al.: WINTERC-G: mapping the upper mantle thermochemical heterogeneity from coupled geophysical-petrological inversion of seismic waveforms, heat flow, surface elevation and gravity satellite data, Geophys. J. Int., online 10. März 2021; DOI: 10.1093/gji/ggab094
• Satelliten- und Aerogeophysik, Christian-Albrechts-Universität, Kiel