Ein internationales Forschungsteam hat eine mögliche Erklärung für rätselhafte seismische Anomalien im inneren Erdkern gefunden: Erdbebenwellen, die sich je nach Ausbreitungsrichtung unterschiedlich schnell bewegen. Forscherinnen und Forscher der Universität Münster, dem Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) und der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) simulierten dafür Bedingungen, wie sie tief im Erdinneren herrschen. Mithilfe von Röntgenstrahlen untersuchten sie dabei das Verhalten von Eisenlegierungen, die Silizium und Kohlenstoff enthalten. Die Experimente wurden an der Großforschungsanlage PETRA III bei DESY in Hamburg durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen: Eine schichtartige Struktur im inneren Erdkern – vergleichbar den Schalen einer Zwiebel –  könnte dafür verantwortlich sein, dass sich Erdbebenwellen dort auf ungewöhnliche Weise ausbreiten. Das Team veröffentlichte die Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature Communications“. 

Der Erdkern besteht hauptsächlich aus Eisen, in kleineren Mengen sind jedoch auch leichtere Elemente wie Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff enthalten, die mit dem Eisen Legierungen bilden. Der äußere Erdkern ist flüssig, der innere Erdkern ist fest. Seismologische Messungen zeigen seit Langem, dass sich bestimmte Erdbebenwellen entlang der Erdachse etwa drei bis vier Prozent schneller bewegen als in der Äquatorebene. Außerdem unterscheiden sich diese Effekte zwischen dem äußeren und dem inneren Bereich des inneren Kerns. 

„Es gibt mehrere Theorien zu den Ursachen dieser Unterschiede“, erklärt Carmen Sanchez-Valle vom Institut für Mineralogie der Universität Münster. Eine mögliche Erklärung ist die sogenannte „lattice-preferred orientation“ (LPO), bei der sich die Kristalle im Eisen spezifisch ausrichten. Bisher fehlten jedoch experimentelle Daten dazu, insbesondere für Mischungen aus Eisen, Silizium und Kohlenstoff. „Deshalb haben wir gezielt untersucht, wie sich Silizium und Kohlenstoff gemeinsam auf die Verformungseigenschaften von Eisen auswirken“, sagt Sanchez-Valle.

Für die Experimente stellte das Team Legierungen aus Eisen, Silizium und Kohlenstoff her. Diese wurden in einer Diamantstempelzelle zwischen zwei abgeflachten Diamantambossen extrem stark zusammengedrückt und mit einem Graphitheizer auf über 820 Grad Celsius erhitzt. Der dabei erreichte Druck entsprach etwa dem Millionfachen des normalen Luftdrucks.

Die Röntgenmessungen zeigten, dass sich während der Kompression eine bevorzugte Ausrichtung der Kristalle bildete. „Mithilfe einer speziellen Röntgenmethode konnten wir diese Kristallausrichtung sichtbar machen“, erklärt Efim Kolesnikov, Erstautor der Studie. Aus den Messdaten berechneten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wichtige Materialeigenschaften, wie Festigkeit und Zähflüssigkeit. Mithilfe theoretischer Modelle übertrugen sie diese Werte auf die Bedingungen im inneren Erdkern.

Das Ergebnis: Die beobachteten Unterschiede in der Ausbreitung von Erdbebenwellen lässt sich durch die chemische Zusammensetzung des Materials erklären, dass sich mit zunehmender Tiefe ändert – der Eisenanteil nimmt nach innen hin zu. „Das passt gut zu den Geschwindigkeitsunterschieden, die wir in seismischen Messungen beobachten“, sagt Projektleiter Ilya Kupenko.

An der Studie waren Forscherinnen und Forscher der Universität Münster, des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) sowie der Universität Lille beteiligt.

Dies ist eine gemeinsame Pressemitteilung der Universität Münster und des DESY.

 

Originalpublikation

Kolesnikov, E., Li, X., Müller, S.C. et al. Depth-dependent anisotropy in the Earth’s inner core linked to chemical stratification. Nat Commun (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67067-y

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Originalpublikation in Nature Communications

Institut für Mineralogie der Universität Münster