Stabile Muster im Erdmantel

Seit rund 250 Millionen Jahren verhalten sich die Auf- und Abwärtsströmungen im Erdmantel sehr stabil. Diese für die Bewegung der tektonischen Platten verantwortlichen Konvektionsströmungen im halbflüssigen Gestein unterhalb der Erdkruste konnten Wissenschaftler nun zu den Bewegungsmustern auf der Erdoberfläche in Beziehung setzen. Zugleich ergaben sich Hinweise darauf, dass auch die bei der Beobachtung von Erdbebenwellen festgestellten Anomalien der Wellenausbreitung im Erdmantel mit diesen Mustern verknüpft sind.

Kontinentalplatten werden durch Konvektion im darunterliegenden Erdmantel angetrieben, allerdings lässt sich das Konvektionsmuster nicht direkt bestimmen, wenn man nur die Plattenbewegungen kennt. „Die Idee war deshalb, aus Rekonstruktionen von Plattenbewegungen in der geologischen Vergangenheit Informationen zu extrahieren, die auf das darunterliegende Mantelströmungsfeld schließen lassen“, erläutert Bernhard Steinberger vom Deutschen Geoforschungszentrum (GFZ). Dazu bestimmten die Forscher zunächst zwei Bezugspunkte, Dipole, welche die durchschnittliche Bewegung der Platten von einer Hemisphäre weg und zur anderen hin beschreiben. Weiterhin bestimmten sie Quadrupole: Damit lassen sich die Bewegungen von zwei gegenüberliegenden Punkten weg (divergente Pole) zu zwei im Winkel von 90 Grad davon entfernten Punkten hin (konvergente Pole) beschreiben. Eine solche Betrachtungsweise ist möglich, weil zum gegenwärtigen Zeitpunkt Dipol und Quadrupol der Plattenbewegungen jeweils sehr gut mit den entsprechenden Größen der unterliegenden Antriebskräfte durch Strömungen im Erdmantel und in den Mantel abtauchenden Lithosphärenplatten übereinstimmen. Es liegt deshalb nahe, eine entsprechend gute Übereinstimmung auch für die Vergangenheit anzunehmen, für die es keine Möglichkeit mehr gibt, Mantelströmungen direkt aus Beobachtungen zu ermitteln.

Diese neue Beschreibung der Plattentektonik ergab erstaunliche Resultate. Die Konvektionsmuster im Erdmantel erweisen sich als sehr stabil: „Gegenwärtig stimmen die konvergenten Pole gut mit großräumigen Abwärtsströmungen im Mantel überein, und die divergenten Pole mit Aufwärtsströmungen“, erläutert Steinberger. „Während der letzten 250 Millionen Jahre hat sich der konvergente Dipol immer im Gebiet von Asien befunden, während sich die divergenten Quadrupole immer in den Gebieten des gegenwärtigen östlichen Afrika und östlichen Pazifiks befunden haben. Wir schließen daraus, dass die darunterliegenden Auf- und Abströme auch entsprechend stabil waren.“

Ein weiteres Ergebnis der Studie ist, dass die in der globalen Seismologie beobachteten Geschwindigkeitsanomalien der von Erdbeben ausgehenden Scherwellen im Erdmantel mit diesen Mustern gut übereinstimmen. Die divergenten Quadrupole befinden sich jeweils oberhalb des östlichen Randes einer der großräumigen Scherwellen­geschwindigkeits­anomalien (Large Low Shear Velocity Provinces, LLSVPs) im untersten Erdmantel. „Unsere Ergebnisse liefern deshalb ein weiteres Indiz dafür dass die LLSVPs ebenfalls für mindestens 250 Millionen Jahre stabil in ihrer gegenwärtigen Lage waren, und möglicherweise die Mantelkonvektion aktiv beeinflussen“, sagt Steinberger.

GFZ / CT