Versetzungs-Kriechen könnte die Verformung von Bridgmanit im unteren Erdmantel steuern

Warum sich die tiefe Erde anders verhält

Tief unter unseren Füßen, in hunderten bis über tausend Kilometern Tiefe, fließt das Gestein des Erdmantels über Millionen von Jahren hinweg langsam. Diese tiefe Bewegung treibt die Plattentektonik an, formt vulkanische Aktivität und beeinflusst, wie sich Erdbebenwellen durch den Planeten ausbreiten. Seismische Messungen haben jedoch ein Rätsel offenbart: Um absinkende tektonische Platten herum verhalten sich Wellen so, als sei das Gestein richtungsabhängig „gestreckt“, während sie im Großteil des unteren Mantels nahezu gleichmäßig in alle Richtungen laufen. Diese Studie zeigt, dass ein einzelnes Schlüsselmineral, Bridgmanit, beide Verhaltensweisen auf natürliche Weise erklären kann—vor allem abhängig von der Temperatur.

Das häufigste Mineral der tiefen Erde

Bridgmanit gilt als das am häufigsten vorkommende Mineral im unteren Erdmantel und macht dort etwa drei Viertel des Gesteins aus. Auf Kristallebene ist es nicht in alle Richtungen gleich stark: Je nachdem, wie seine winzigen Körner ausgerichtet sind, können seismische Wellen in einer Richtung schneller laufen als in einer anderen. Wenn viele Körner eine ähnliche Orientierung teilen—ein Muster, das als Vorzugsorientierung bezeichnet wird—wird das Gestein als Ganzes richtungsabhängig, also anisotrop, für seismische Wellen. Jahrelang diskutierten Forscher, ob der nahezu isotrope untere Mantel bedeute, dass Bridgmanit dort nicht durch den Kristallgleitprozess deformiert wird, das sogenannte Versetzungs-Kriechen, das typischerweise Vorzugsorientierungen erzeugt.

Den tiefen Mantel im Labor nachbilden

Um dieses Problem anzugehen, haben die Forschenden synthetische Bridgmanit-Proben auf etwa 25 Gigapascal komprimiert—Drücke, wie sie in rund 700–800 Kilometern Tiefe herrschen—und auf 1700–2100 Kelvin erhitzt. Sie prüften sowohl eisenfreie als auch eisenhaltige Zusammensetzungen, passend zu dem, was in realen Mantelgesteinen erwartet wird. Mit speziellen Pressen wurden die Proben bei kontrollierten Raten gedrückt und geschnitten; anschließend untersuchten sie, wie sich die winzigen Kristallkörner gedreht und rekristallisiert hatten. Hochenergetische Röntgenbeugung an einer Synchrotronanlage erlaubte es, die Orientierung der Kristallgitter vor und nach der Verformung zu kartieren.

Ein temperaturabhängiger Schalter in der Kristallausrichtung

Die Experimente zeigten einen klaren, temperaturgesteuerten Umschlag in der Art, wie sich Bridgmanitkristalle bei Verformung ausrichten. Bei niedrigeren Temperaturen (unter etwa 1800 Kelvin) entwickelt sich ein starkes, organisiertes Gefüge: bestimmte Kristallrichtungen richten sich entlang der angelegten Belastung aus und erzeugen ein Muster, das starke Richtungsunterschiede in den Wellengeschwindigkeiten hervorruft. Bei höheren Temperaturen (etwa 1900–2100 Kelvin) reorganisieren sich die Kristalle zu einem anderen Ausrichtungsmuster, das unter horizontaler Scherung zu deutlich schwächerer seismischer Anisotropie—nahezu isotropem Verhalten—führt, obwohl der Verformungsmechanismus weiterhin Versetzungs-Kriechen ist. Wichtig ist, dass dieser Übergang sowohl in eisenarmen als auch in eisenreicheren Proben beobachtet wurde, was darauf hindeutet, dass unter diesen Bedingungen die Temperatur und nicht die Chemie die dominierende Steuergröße ist.

Von Kristallgefügen zu seismischen Wellen

Mithilfe der gemessenen Kristallorientierungen und der bekannten elastischen Eigenschaften von Bridgmanit berechnete das Team, wie sich P‑ und S‑Wellen durch diese Gefüge ausbreiten würden. Sie fanden, dass das Niedrigtemperatur-Gefüge eine auffällige azimutale Anisotropie hervorruft: Wellen können messbar schneller in Richtungen laufen, die mit der Scherströmung verbunden sind, besonders in horizontal geschnittenen Bereichen wie unter subduzierenden Platten. Im Gegensatz dazu erzeugt das Hochtemperatur-Gefüge unter ähnlicher Scherung nur sehr subtile Unterschiede in der Wellengeschwindigkeit und liefert nahezu isotrope Signaturen. Das bietet eine natürliche Erklärung dafür, warum unter kalten Subduktionszonen starke seismische Anisotropie beobachtet wird, während der umliegende, wärmere untere Mantel fast isotrop erscheint, ohne dass ein völlig anderer Verformungsstil angenommen werden muss.

Neues Denken über den Mantelfluss

In der Zusammenführung dieser Ergebnisse schlagen die Autorinnen und Autoren vor, dass Versetzungs-Kriechen in Bridgmanit die Deformation in weiten Teilen des unteren Mantels dominieren könnte. In kalten Regionen nahe subduzierender Platten führt das Niedrigtemperatur-Gefüge zu starker, beobachtbarer Anisotropie, was mit vielen regionalen seismischen Studien übereinstimmt. In wärmeren, tieferen oder weiter entfernten Regionen lässt das Hochtemperatur-Gefüge den Mantel für seismische Wellen nahezu isotrop erscheinen, obwohl die Kristalle weiterhin ausgerichtet sind und das Gestein weiter strömt. Das bedeutet, dass das Fehlen starker Anisotropie nicht zwangsläufig das Fehlen von Kristallorientierung oder einen Wechsel zu einem anderen Kriechmechanismus bedeutet. Stattdessen kann eine temperaturgesteuerte Änderung im mikroskopischen Verhalten von Bridgmanit zuvor widersprüchliche Beobachtungen vereinigen und ein klareres Bild davon liefern, wie das tiefe Innere unseres Planeten sich über geologische Zeit bewegt und entwickelt.

Zitation: Guan, L., Yamazaki, D., Tsujino, N. et al. Dislocation creep may control bridgmanite deformation in the Earth’s lower mantle. Commun Earth Environ 7, 183 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03212-9

Schlüsselwörter: unterer Erdmantel, bridgmanit, seismische Anisotropie, Mantelkonvektion, Versetzungs-Kriechen