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3D-Modell der Lithosphäre

Verschärftes Bild der irdischen Tiefe

Das neue 3D-Modell kombiniert Satelliten- mit Erdbeben- und Gesteinsdaten für die Darstellung der Strukturen in der Lithosphäre unseres Patenten. (Bild: ESA/Planetary Visions)

Welche Strukturen besitzt die Erde tief unter unseren Füßen? Ein neues 3D-Modell stellt die globale Erdkruste und den Mantel nun so detailliert dar wie nie zuvor. Das Abbild der Lithosphäre basiert dabei auf der Kombination von Gravitations-Daten eines Satelliten der ESA mit geologischen und seismischen Informationen. Das Modell kann nun zum besseren Verständnis der dynamischen Prozesse in der Tiefe beitragen. So hat es bereits Einblicke in die Hebung von Teilen Nordamerikas nach dem Verlust des eiszeitlichen Eispanzers ermöglicht.

Kontinente wanderten, Berge türmten sich auf und Ozeanbecken öffneten sich: Das Gesicht unseres Heimatplaneten hat sich im Laufe der Jahrmillionen ständig verändert und so wird es auch weitergehen. Denn die äußere Hülle der Erde ist fortlaufend in Bewegung. In die Grundlagen der Plattentektonik versuchen Wissenschaftler schon lange Einblicke zu gewinnen, denn diese Prozesse sind auch mit Erdbeben und Vulkanausbrüchen verbunden. Dabei sind Informationen über die Strukturen in der sogenannten Lithosphäre, die Teile des oberen Erdmantels und die darüberliegende Erdkruste umfasst, von entscheidender Bedeutung.

Gravitations-Daten integriert

Um die Merkmale des irdischen Untergrunds zu erfassen, nutzen Geologen traditionell Gesteinsanalysen sowie Daten, die bei Erdbeben entstehen: Anhand der Geschwindigkeit, mit der sich die seismischen Wellen ausbreiten, sind Rückschlüsse auf die Temperatur und die Dichte des Gesteins im Bereich eines Erdbebens möglich. Auf der Basis solcher Daten entstanden bereits Modelle der Lithosphäre. „Doch sie besaßen begrenzte Auflösung oder waren durch die Art und Weise, wie die Daten verknüpft wurden, eingeschränkt“, sagt Javier Fullea von der Universität Complutense in Madrid. Für die Entwicklung des neuen Modells im Rahmen des ESA-Projekts „3D-Earth“, nutzten Fullea und seine internationalen Kollegen eine weitere Informationsquelle: globale Gravitationsdaten des GOCE-Satelliten der ESA.

Mehr als vier Jahre lang kartierte GOCE die feinen Unterschiede in den Schwerkraftverhältnissen der irdischen Lithosphäre mit extremer Detailgenauigkeit und Präzision. Wie die Forscher erklären, können die Daten aus dem Weltall das Bild der Strukturen im Untergrund ergänzen, da die Stärke des Schwerkraftsignals mit der Dichte des Materials zusammenhängt. Der weitere große Vorteil der Informationsquelle ist, dass die Satellitendaten die Erde gleichmäßig abdecken und somit auch Gebiete, von denen es kaum Bodenmessungen gibt.

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Für das neue 3D-Modell der Lithosphäre haben die Wissenschaftler die globalen Gravitationsdaten des GOCE-Satelliten nun mit seismologischen Beobachtungen und Gesteinsinformationen verknüpft. „Durch diese Kombination konnten wir Temperaturverhältnisse und Zusammensetzungen im Mantelgestein in einer neuen Weise beschreiben“, so Fullea. Es handelt sich somit um einen weiteren Schritt hin zum Ziel, den Aufbau und die geologischen Prozesse unseres Planeten besser zu verstehen.

Wie sich eine geologische Delle hebt

„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“, sagt Nils Holzrichter von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Er und seine Kollegen haben das neue Modell in ihrer aktuellen Studie genutzt. Dabei stand im Fokus, wie sich der sogenannte „Laurentidische Eisschild“ auf Nordamerika ausgewirkt hat. Diese 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 dann ab. Dieser Druckverlust hatte Folgen: Seitdem hebt sich der nordamerikanische Kontinent wieder langsam an, weil die Lithosphäre wie in Zeitlupe zurückfedert. „Durch das Modell ließ sich konkreter als bisher ermitteln, welche weitere Hebung noch zu erwarten ist“, sagt Co-Autor 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 auf die Deformation reagiert. „Ein besseres Verständnis davon, wie schnell die Lithosphäre auf Eismassenverluste reagiert, ist auch mit Blick auf den Klimawandel ausgesprochen wichtig“, sagt Szwillus.

Abschließend kommentiert Roger Haagmans von der ESA zu den bisherigen Ergebnissen des Projekts „3D-Earth“: „Diese Arbeiten werfen ein neues Licht auf die Strukturen und Prozesse in der Erde unter unseren Füßen. Auch wenn sie sich in der Tiefe abspielen, haben sie Auswirkungen auf die Erdoberfläche – von der Erneuerung des Meeresbodens bis hin zu Erdbeben, die wiederum uns alle betreffen“, so Haagmans.


Video: European Space Agency, ESA

Quelle: ESA, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Fachartikel:

Geophysical Journal International, doi: 10.1093/gji/ggab094

Journal of Geophysical Research: Solid Earth, doi: 10.1029/2020JB020484

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