Die ``transition zone'' des Erdmantels

Der ``transition zone'' des Erdmantels zwischen 410 km und 660 km Tiefe kommt eine zentrale Stellung bei dem Verständnis der globalen dynamischen Eigenschaften des Erdkörpers zu ((Birch(1952)), Ringwood [1975, 1982, 1991]).
Als Folge von mehreren strukturellen Phasenübergängen, die die verschiedenen Mantelminerale in ihre jeweilige Hochdruckmodifikation durchlaufen, ergeben sich Gradienten in den seismischen Geschwindigkeiten v<sub>p</sub> und v<sub>s</sub>, die zu groß sind, um durch die Selbstkompression des Gesteins in dieser Region erklärt werden zu können. Olivin als Hauptbestandteil () der ozeanischen Lithosphäre wandelt sich z.B. in zwei Hochdruckphasen, -Spinell und -Spinell, bei den entsprechenden Drücken um, bevor es bei ca. 24 GPa (660 km Tiefe) in die Perovskit-Struktur übergeht. Der Wechsel in den elastischen Eigenschaften von Olivin zu -Spinell ist dabei erheblich, dagegen beim Übergang - zu -Spinell unwesentlich ((Weidner(1985))), so daß die seismische 410 km Diskontinuität zu einem großen Teil durch diesen Phasenübergang erklärt werden kann.
Der Spinell-Postspinell Übergang bei ca. 660 km Tiefe markiert das untere Ende der ``transition zone''. Da dieser Übergang, im Unterschied zu den o.a. Umwandlungen, eine endotherme Charakteristik besitzt, setzt er auf Grund der wirkenden Auftriebskraft (Phasengrenze im Gleichgewicht nach unten durchgebogen im kalten Innern der Platte) eine Widerstandskraft dem Subduktionsvorgang entgegen ((Turcotte und Schubert(1982))).
Die möglichen Konsequenzen für die globale Mantelkonvektion lauten: Entweder die bei 660 km Tiefe wirkende Widerstandskraft dominiert und die Konvektion im Erdmantel wird durch diese Grenze in zwei ``Kreise'' unterteilt (``layered convection''), oder das Gegenteil tritt ein und die Konvektion im Erdmantel ist geschlossen (``whole mantle convection''). Neuere Computersimulationen in sphärischer 3D-Geometrie ((Tackley et al.(1993))) zeigen, daß sehr wahrscheinlich beide Vorgänge abwechselnd in der Historie der Erdentstehung eine Rolle gespielt haben.
Die Hypothese einer ``resistance layer'' bei 660 km Tiefe wurde frühzeitig unterstützt durch die Analyse von Herdmechanismen tiefer Erdbeben, die ergab, daß sich subduzierende Platten unterhalb von 300 km Tiefe in einem kompressivem Streßzustand befinden ((Isacks und Molnar(1971))), was in Übereinstimmung mit der postulierten Widerstandskraft steht. Dagegen schlugen (Hager und Richards(1989)) vor, daß eine Widerstandskraft an der 660 km Diskontinuität durch eine deutlich höhere Viskosität im unteren Erdmantel hervorgerufen wird, ohne daß dafür jedoch bisher der experimentelle Nachweis (entsprechend hohe Viskosität der Minerale unter den p,T-Bedingungen des unteren Mantels) erbracht werden konnte.