Schwarze Technologie „Transparente Erde“: Mithilfe seismischer Wellen CT-Scans der Erde durchführen

Wichtige Ereignisse auf der Erde hängen oft mit ihrer inneren Struktur zusammen. Ein Vulkanausbruch ist beispielsweise das Phänomen, bei dem flüssiges Magmamaterial aus dem Inneren des Körpers an die Oberfläche geschleudert wird.

Wir wissen, dass der Yellowstone-Vulkanpark in den Vereinigten Staaten das größte Landvulkangebiet der Erde ist und dass es dort im Laufe der Geschichte zu Superausbrüchen gekommen ist. Darüber hinaus herrscht dort eine sehr rege vulkanische geothermische Aktivität und Wissenschaftler überwachen die Verteilung und Aktivität des unterirdischen Magmas. Einem neuen Forschungsbericht zufolge ist in der Kruste unter dem Vulkanschlot des Yellowstone-Nationalparks mehr Magma gespeichert als bisher angenommen, und es besteht die Möglichkeit eines weiteren großen Ausbruchs.

Woher also kennen Wissenschaftler die Struktur der Erdkruste in mehreren tausend bis zehn Kilometern Tiefe?

Um die innere Struktur eines Objekts zu verstehen, stehen uns zwei Arten von Methoden zur Verfügung. Eine Möglichkeit besteht darin, es direkt zu schneiden, genau wie eine Wassermelone. Nach dem Öffnen können wir die Situation im Inneren deutlich erkennen. Auch chirurgische Eingriffe dienen häufig der Untersuchung oder Behandlung des menschlichen Körpers.

Natürlich ist es mit moderner Technik bereits heute möglich, kleinste Strukturen im Körperinneren, wie etwa Blutgefäße, Polypen, Tumore etc., ohne direkten Kontakt mit dem menschlichen Körper zu erkennen. Beispielsweise ist die CT-Technologie sehr beliebt; der vollständige Name lautet „Computertomographie“. Bei der CT-Diagnostik wird der menschliche Körper mit Röntgenstrahlen gescannt, um eine große Menge an Daten zu gewinnen. Durch komplexe und umfangreiche Computerberechnungen wird das durch die Röntgenstrahlen erzeugte Bild auf einen „tomografischen“ Film übertragen, sodass die subtile Struktur und Variation des erfassten Bereichs mit bloßem Auge erkennbar ist. Das Funktionsprinzip der CT besteht darin, durch das Instrument Röntgenstrahlen auf einen bestimmten Teil des menschlichen Körpers auszustrahlen. Verschiedene Gewebe und Organe des menschlichen Körpers haben unterschiedliche Fähigkeiten, Röntgenstrahlen zu absorbieren. Daher erfährt derselbe Röntgenstrahl nach dem Durchgang durch verschiedene Gewebe und Organe des menschlichen Körpers unterschiedlich starke Veränderungen. Zu diesem Zeitpunkt wird diese differenzielle Veränderung in ein Bild umgewandelt, das für uns leicht zu interpretieren ist und zur Diagnose verwendet werden kann.

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Ähnliche Techniken könnten auch zur Erforschung des Erdinneren eingesetzt werden. Aber die Erde unterscheidet sich vom menschlichen Körper. Der menschliche Körper ist klein, daher kann ein herkömmliches CT-Gerät dreidimensionale Scans in alle Richtungen durchführen. Allerdings ist die Erde so groß, dass wir kein gigantisches CT-Gerät bauen können, um die Erde zu umhüllen und einen dreidimensionalen Scan durchzuführen. Daher ist die Durchführung eines CT-Scans der Erde schwieriger und erfordert mehr „schwarze Technologie“.

Tatsächlich arbeiten Wissenschaftler seit fast hundert Jahren daran, die innere Struktur der Erde zu verstehen. Basierend auf ähnlichen Prinzipien und Ideen wie die CT-Technologie ersetzten Wissenschaftler Röntgenstrahlen, eine elektromagnetische Welle, durch elastische Wellen, die durch die Vibration von Objekten erzeugt werden, wie beispielsweise seismische Wellen, und erhielten die innere Struktur der Erde auf der Grundlage leistungsfähigerer Computertechnologie. Im Jahr 1975 entwickelten Wissenschaftler eine Technologie zur seismischen Reflexionsabbildung und legten damit den Grundstein für die seismische Tomographie, die heute weit verbreitet ist. Es kann unterirdische Strukturen durch seismische Explorationsmethoden kartieren und wird zur Suche nach Öl- und Erdgasvorkommen eingesetzt.

Diese Methode erfordert die Verwendung von seismischen Wellen, die durch Erdbeben erzeugt werden. Zur Ortung in Tiefen von mehreren Hundert bis mehreren Tausend Metern können wir hierfür durch künstliche Explosionen erzeugte seismische Wellen nutzen. Künstliche Erdbeben werden beispielsweise häufig bei der Ölförderung eingesetzt, um seismische Wellen einer bestimmten Intensität zu erzeugen und so festzustellen, ob sich in den Schichten Öl befindet.

Nach dem gleichen Prinzip ändern sich auch Ausbreitungsrichtung und Geschwindigkeit seismischer Wellen, wenn sich tief in der Erde Gesteine ​​mit unterschiedlichen Eigenschaften befinden. Mithilfe seismischer Detektion können wir dann die Schnittstelle der geschichteten Struktur erkennen. Natürlich können die seismischen Wellen künstlicher Erdbeben bei einer Erde mit einem Radius von mehr als 6.000 Kilometern nicht tief in die Erde vordringen, und es ist unmöglich, dort physikalische Informationen zu erfassen. Um dies zu erreichen, ist derzeit ein natürliches Erdbeben mit größerer Stärke erforderlich. Aus dieser Perspektive verursachen Erdbeben zwar Naturkatastrophen, bieten den Wissenschaftlern aber auch die Möglichkeit, das Erdinnere zu erforschen.

Um die Struktur des Erdinneren besser zu verstehen, müssen wir wissen, wie schnell sich seismische Wellen durch verschiedene Materialien bewegen. Wissenschaftler zerlegen seismische Wellen anhand ihrer Ausbreitungseigenschaften in Transversalwellen und Longitudinalwellen. Die Geschwindigkeit beider Wellen nimmt mit zunehmender Dichte des Gesteins zu. Beim Auftreffen auf flüssige Substanzen wird die Geschwindigkeit der Longitudinalwellen jedoch erheblich reduziert und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalwellen direkt auf 0 reduziert. Das heißt, Transversalwellen können flüssige Substanzen nicht durchdringen, Longitudinalwellen hingegen schon langsam. Zu Beginn sprachen wir über die Existenz eines großen Magmareservoirs unter dem Yellowstone-Plateau, das ebenfalls durch seismische Methoden entdeckt wurde. Denn wenn seismische Wellen durch schmelzflüssiges Magma laufen, verringert sich ihre Längswellengeschwindigkeit erheblich, während die Querwellengeschwindigkeit auf Null sinkt. Durch eine Vielzahl von Berechnungen und Inversionen können Wissenschaftler die Tiefe und Größe des Magmareservoirs ermitteln.

Mithilfe dieser Methode und dieses Prinzips analysieren Wissenschaftler die Geschwindigkeitsänderungen von Quer- und Längswellen, die von weltweit verteilten Seismographen empfangen werden. Sie analysieren die Dichteunterschiede von Materialien im Untergrund und ermitteln, ob flüssige Materie die innere Struktur der Erde unterteilt.

Durch die Analyse großer Mengen seismischer Daten konnte das Erdinnere gut definiert werden. Das hören wir oft: Die Erde besteht im Wesentlichen aus drei Schichten: der Kruste, dem Mantel und dem Kern.

Genauer gesagt ist die Erdkruste eine harte Außenschale aus festem Gestein auf der Erdoberfläche. Die Dicke der Erdkruste variiert. Die ozeanische Kruste ist dünn, im Allgemeinen 5 bis 10 Kilometer; Die kontinentale Kruste ist dick und weist eine durchschnittliche Dicke von 39 bis 41 Kilometern auf. An Orten mit hohen Bergen wird die Kruste dicker sein, bis zu 70 Kilometer, wie zum Beispiel auf dem Qinghai-Tibet-Plateau.

Der Mantel ist der Teil von der Unterseite der Erdkruste bis zum äußeren Kern. Die obere Grenze wird als Moho-Diskontinuität bezeichnet und die untere Grenze als Gutenberg-Diskontinuität. Es ist 2.900 Kilometer tief und macht 80 % des Gesamtvolumens der Erde aus. Entsprechend der Änderung der Geschwindigkeit seismischer Wellen wird der Mantel in den oberen und den unteren Mantel unterteilt. Über dem oberen Erdmantel befindet sich eine Asthenosphäre, in der die Temperatur sehr hoch ist, die Gesteine ​​teilweise geschmolzen sind und langsam fließen können. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Asthenosphäre die Hauptquelle vulkanischen Magmas ist und dass auch die Bewegung der Erdplatten damit zusammenhängt.

Der innerste Teil ist der Erdkern. Der Erdkern besteht hauptsächlich aus Metallen wie Eisen und Nickel und ist etwa 3.400 Kilometer dick. Entsprechend den Veränderungen der seismischen Wellen kann der Kern in zwei Schichten unterteilt werden: den äußeren Kern und den inneren Kern. Der äußere Kern ist eine geschmolzene metallische Substanz, und die Bewegung der flüssigen Substanz im äußeren Kern bildet das Magnetfeld der Erde. Der innere Kern ist eine feste Metallkugel mit extrem hoher Dichte, und der extrem hohe Druck presst die Eisenatome fest zusammen.

Derzeit führt mein Land CT-Scans der Erde durch, um sie zu einer „transparenten Erde“ zu machen. Dabei kommt nicht nur die seismische Tomographie zum Einsatz, sondern auch die elektromagnetische Wellentomographie. Es wird nicht nur bei der Exploration von Energiemineralien wie Öl und Erdgas eingesetzt, sondern auch bei der Exploration von Metallmineralien, nichtmetallischen Mineralien und Wasserdampfmineralien und leistet damit einen enormen Beitrag zur Entwicklung der Bergbauindustrie meines Landes.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Xiao Long

Gutachter: Zhang Yuxiu (Außerordentlicher Professor, Fakultät für Erd- und Planetenwissenschaften, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.