Geophysiker entschlüsseln mysteriöse tiefe seismische Signale

Geophysiker haben einen Zusammenhang zwischen seismischen Wellen, sogenannten PKP-Vorläufern, und Anomalien im Erdmantel entdeckt.

Eine neue Studie zeigt, dass frühere seismische PKP-Signale, die Wissenschaftlern seit Jahren Rätsel aufgeben, aus Regionen mit extrem niedriger Geschwindigkeit tief in Nordamerika und im westlichen Pazifik stammen. Diese Erkenntnisse von Forschern der University of Utah bringen diese Regionen mit wichtigen geologischen Merkmalen wie heißen Vulkanen in Verbindung und nutzen fortschrittliche seismische Techniken, um ihre Ursprünge bis zur Kern-Mantel-Grenze zurückzuverfolgen.

Einführung in PKP und seismische Rätsel

Im Laufe der Jahrzehnte seit ihrer Entdeckung stellten seismische Signale, sogenannte PKP-Vorläufer, eine Herausforderung für Wissenschaftler dar. Regionen des unteren Erdmantels streuen eintreffende seismische Wellen, die in Form von PKP-Wellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten an die Oberfläche zurückkehren.

Der Ursprung früherer Signale, die vor den wichtigsten seismischen Wellen eintreffen, die sich durch den Erdkern bewegen, ist weiterhin unklar, doch von Geophysikern der University of Utah geleitete Forschungen haben neues Licht auf diese mysteriöse seismische Energie geworfen.

Die Vorfahren des PKP scheinen sich von Orten tief unter Nordamerika und dem westlichen Pazifik auszubreiten und könnten mit „Zonen mit extrem niedriger Geschwindigkeit“ in Verbindung gebracht werden, dünnen Schichten im Erdmantel, in denen sich seismische Wellen dramatisch verlangsamen, so eine am 10. August veröffentlichte Studie In AGU-Fortschrittedas Flaggschiff-Journal der American Geophysical Union.

Verknüpfung von PKP-Vorfahren mit geologischen Merkmalen

„Dies sind einige der extremsten Merkmale, die jemals auf dem Planeten entdeckt wurden“, sagte der Hauptautor Michael Thorne, außerordentlicher Professor für Geologie und Geophysik an der University of Utah. „Wir wissen nicht wirklich, was sie sind, aber eines wissen wir.“ „Es scheint, dass sie die Wurzel ganzer Mantelwolken sind, die heiße Vulkane entstehen lassen.“

Diese Wolken sind für die vulkanische Aktivität verantwortlich, die im Yellowstone-Nationalpark, auf den Hawaii-Inseln, auf Samoa, Island und auf den Galapagosinseln beobachtet wird.

„Es scheint, dass diese sehr großen Vulkane seit Hunderten von Millionen Jahren ungefähr an derselben Stelle stehen“, sagte Thorne. In früheren Arbeiten entdeckte er auch eine der größten bekannten extremen Niedriggeschwindigkeitsregionen der Welt.

„Das Gebiet liegt direkt unterhalb der Insel Samoa und Samoa ist einer der größten heißen Vulkane“, bemerkte Thorne.

Entwicklungen in der seismischen Wellenanalyse

Seit fast einem Jahrhundert nutzen Geologen seismische Wellen, um das Erdinnere zu erforschen und dabei viele Entdeckungen zu machen, die sonst nicht möglich gewesen wären. Andere Forscher der University of Utah haben beispielsweise die Struktur des festen inneren Erdkerns charakterisiert und seine Bewegung durch die Analyse seismischer Wellen verfolgt.

Wenn ein Erdbeben die Erdoberfläche erschüttert, schießen seismische Wellen durch den Mantel – die dynamische Schicht aus heißem Gestein mit einer Dicke von 2.900 km zwischen der Erdkruste und dem Mineralkern. Thornes Team interessiert sich für jene Wellen, die „streuen“, wenn sie unregelmäßige Strukturen passieren, die Veränderungen in der physikalischen Zusammensetzung im Mantel erzwingen. Einige dieser Streuwellen werden zu Vorläufern der PKP.

Thorne wollte genau bestimmen, wo diese Streuung auftritt, insbesondere da die Wellen zweimal durch den Erdmantel wandern, bevor und nachdem sie den flüssigen äußeren Erdkern durchquert haben. Aufgrund dieser doppelten Reise durch den Mantel ist es nahezu unmöglich zu unterscheiden, ob vorherige Wellen auf der Quell- oder Empfängerseite des Strahlengangs entstanden sind.

Innovative Forschungstechniken in der Seismologie

Thornes Team, zu dem auch die wissenschaftliche Assistenzprofessorin Surya Patchai gehörte, entwickelte eine Methode zur Modellierung von Wellenformen, um entscheidende Effekte aufzudecken, die zuvor nicht beobachtet wurden.

Mit der Methode des fortgeschrittenen Erdbebenensembles und neuen theoretischen Beobachtungen aus Erdbebensimulationen konnten die Forscher Daten von 58 Erdbeben analysieren, die sich rund um Neuguinea ereigneten und in Nordamerika aufgezeichnet wurden, nachdem sie den Planeten passiert hatten.

„Ich kann virtuelle Empfänger überall auf der Erdoberfläche platzieren und das sagt mir, wie das Seismogramm eines Erdbebens an diesem Ort aussehen sollte. Und wir können das mit den realen Aufzeichnungen vergleichen, die wir haben“, sagte Thorne. „Wir können jetzt vorhersagen, woher diese Energie kommt.“

Mit ihrer neuen Methode konnten sie bestimmen, wo Streuung entlang der Grenze zwischen dem äußeren Kern des flüssigen Metalls und dem Mantel, der sogenannten Kern-Mantel-Grenze, stattfand, die 2.900 Kilometer unter der Erdoberfläche liegt.

Kern-Mantel-Wechselwirkungen und sehr tief liegende Gesteinsgebiete

Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Vorfahren von PKP möglicherweise aus Regionen mit extrem niedrigen Geschwindigkeiten stammen. Thorne vermutet, dass diese nur 20 bis 40 Kilometer dicken Schichten dort entstehen, wo subduzierende tektonische Platten mit der Grenze zwischen Kern und Mantel in der ozeanischen Kruste kollidieren.

„Was wir jetzt herausgefunden haben, ist, dass diese Regionen mit sehr geringer Geschwindigkeit nicht nur unter Hot Spots zu finden sind. Sie sind über die gesamte Kern-Mantel-Grenze unter Nordamerika verteilt“, sagte Thorne. „Es sieht wirklich so aus, als würden diese Regionen mit sehr geringer Geschwindigkeit aktiv erzeugt. Wir wissen nicht wie. Aber weil wir sie nahe der Subduktion sehen, denken wir, dass sie sich bereits in der Atmosphäre befinden.“ Mittelozeanischer Basalt „Dieses Material schmilzt, und so entsteht es. Dann drückt die Dynamik dieses Material durch den Boden, und schließlich sammelt es sich unter den heißen Stellen.“

Die Dynamik treibt diese Objekte über die Erde und schließlich werden sie sich an den Grenzen großer Provinzen mit geringer Geschwindigkeit auftürmen, die laut Thorne kompositorisch unterschiedliche kontinentale Merkmale unter dem Pazifischen Ozean und Afrika darstellen.

„Es kann sich auch unter Hotspots ansammeln, aber es ist unklar, ob diese Bereiche mit sehr geringen Emissionen durch denselben Prozess entstehen“, sagte er. Wir müssen auf zukünftige Forschungen warten, um die Konsequenzen eines solchen Prozesses zu bestimmen.

Referenz: „Untersuchung von Regionen mit extrem niedriger Geschwindigkeit als Quelle der PKP-Dispersion unter Nordamerika und dem westlichen Pazifik: Mögliche Verbindungen zur Subduktion ozeanischer Kruste“ von Michael S. Thorne, Surya Patchai, Mingming Li, Jamie Ward und Sebastian Rust, 10. August 2024, AGU-Fortschritte.
DOI: 10.1029/2024AV001265

Die von der National Science Foundation finanzierte Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Geologen der Arizona State University und der University of Leeds im Vereinigten Königreich durchgeführt.