“Rock Bottom” – Ehemaliges Stück Pazifikboden tief unter China.

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Die Studie bietet Hinweise auf das Schicksal der tektonischen Platten, die tief im Erdmantel versinken.

In einer Studie, die dem Begriff “Felsgrund” eine neue Bedeutung verleiht, haben seismische Forscher die Unterseite einer felsigen Platte der Erdoberflächenschicht oder Lithosphäre entdeckt, die durch den Prozess der tektonischen Subduktion mehr als 400 Meilen unter den Nordosten Chinas gezogen wurde.

Die Studie, die von einem Team chinesischer und amerikanischer Forscher von Nature Geoscience veröffentlicht wurde, bietet neue Erkenntnisse darüber, was mit wasserreichen ozeanischen tektonischen Platten passiert, wenn sie durch den Erdmantel unter die Kontinente gezogen werden.

Der Seismologe Fenglin Niu von der Rice University, ein Co-Korrespondent des Autors, sagte, dass die Studie die ersten hochauflösenden seismischen Bilder der oberen und unteren Grenzen einer felsigen oder lithosphärischen tektonischen Platte innerhalb einer Schlüsselregion liefert, die als Übergangszone des Erdmantels bekannt ist, die etwa 410 Kilometer (254 Meilen) unter der Erdoberfläche beginnt und sich bis etwa 660 Kilometer (410 Meilen) erstreckt.

“Viele Studien deuten darauf hin, dass sich die Platte in der Mantelübergangszone tatsächlich stark verformt, dass sie weich wird, so dass sie leicht verformt werden kann”, sagte Niu. Wie stark sich die Platte verformt oder ihre Form beibehält, ist wichtig, um zu erklären, ob und wie sie sich mit dem Mantel vermischt und welche Art von Kühleffekt sie hat.

Der Erdmantel konvektiert wie Hitze in einem Ofen. Wärme aus dem Erdkern steigt durch den Erdmantel im Zentrum der Ozeane auf, wo sich tektonische Platten bilden. Von dort fließt die Wärme durch den Erdmantel und kühlt sich auf dem Weg zu den Kontinenten ab, wo sie zum Kern zurückfällt, um mehr Wärme zu sammeln, aufzusteigen und den Konvektionskreis zu schließen.

Frühere Studien haben die Grenzen der subduzierenden Platten im Mantel erforscht, aber nur wenige haben tiefer als 200 Kilometer (125 Meilen) geschaut und keine mit der Auflösung der aktuellen Studie, die mehr als 67.000 Messungen von 313 regionalen seismischen Stationen im Nordosten Chinas verwendete. Diese Arbeit, die in Zusammenarbeit mit der Chinesischen Erdbebenverwaltung durchgeführt wurde, stand unter der Leitung des Co-Korrespondenzautors Qi-Fu Chen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Die Forschungsarbeiten befassen sich mit grundlegenden Fragen zu den Prozessen, die die Erdoberfläche über Milliarden von Jahren geformt haben. Die Mantelkonvektion treibt die Bewegungen der tektonischen Platten der Erde an, d.h. starrer, ineinander verzahnter Teile der Erdoberfläche, die sich ständig in Bewegung befinden, während sie über der Asthenosphäre, der obersten Mantelschicht und dem flüssigsten Teil des inneren Planeten schweben.

Wo tektonische Platten aufeinander treffen, stoßen und reiben sie aneinander und setzen dabei seismische Energie frei. In extremen Fällen kann dies zu zerstörerischen Erdbeben und Tsunamis führen, aber die meisten seismischen Bewegungen sind zu schwach, als dass der Mensch sie ohne Instrumente spüren könnte. Mit Seismometern können Wissenschaftler das Ausmaß und den Ort seismischer Störungen messen. Und weil seismische Wellen in einigen Gesteinsarten schneller und in anderen langsamer werden, können Wissenschaftler damit Bilder aus dem Erdinneren erstellen, ähnlich wie ein Arzt Ultraschall verwenden könnte, um das Innere eines Patienten abzubilden.

Niu, Professor für Erd-, Umwelt- und Planetenwissenschaften bei Rice, ist seit mehr als zwei Jahrzehnten führend auf dem Gebiet der seismischen Bildgebung. Als er vor mehr als 20 Jahren seine Doktorandenausbildung in Japan absolvierte, verwendeten die Forscher dichte Netze von seismischen Stationen, um einige der ersten detaillierten Bilder der untergetauchten Plattengrenzen der pazifischen Platte zu sammeln, derselben Platte, die in der diese Woche veröffentlichten Studie abgebildet wurde.

“Japan befindet sich ungefähr dort, wo die pazifische Platte etwa 100 Kilometer Tiefe erreicht”, sagte Niu. “In dieser Platte befindet sich eine Menge Wasser, und sie produziert eine Menge partieller Schmelze. Dadurch entstehen Bogenvulkane, die zur Entstehung Japans beigetragen haben. Aber wir diskutieren immer noch darüber, ob dieses Wasser in dieser Tiefe vollständig freigesetzt wird. Es gibt immer mehr Anzeichen dafür, dass ein Teil des Wassers in der Platte bleibt und viel, viel tiefer geht.

Der Nordosten Chinas bietet einen der besten Aussichtspunkte, um zu untersuchen, ob dies zutrifft. Die Region liegt etwa 1.000 Kilometer vom Japan-Graben entfernt, wo die pazifische Platte beginnt, wieder in das Innere des Planeten einzutauchen. Im Jahr 2009 begannen Niu und Wissenschaftler der University of Texas at Austin, der China Earthquake Administration, des Earthquake Research Institute der Universität Tokio und des Research Center for Prediction of Earthquakes and Volcanic Eruptions an der japanischen Tohoku-Universität mit finanzieller Unterstützung der National Science Foundation und anderer mit der Installation von Breitband-Seismometern in der Region.

“Wir haben dort 140 Stationen installiert, und natürlich ist die Auflösung umso besser, je mehr Stationen vorhanden sind”, sagte Niu. “Die Chinesische Akademie der Wissenschaften hat zusätzliche Stationen aufgestellt, damit sie ein feineres, detaillierteres Bild erhalten können.

In der neuen Studie zeigten die Daten der Stationen sowohl die obere als auch die untere Grenze der pazifischen Platte, die innerhalb der Mantelübergangszone in einem Winkel von 25 Grad nach unten abfällt. Die Platzierung innerhalb dieser Zone ist für die Untersuchung der Mantelkonvektion wichtig, da die Übergangszone unterhalb der Asthenosphäre liegt, in Tiefen, in denen eine erhöhte Presse

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