Ist der Erdmantel fest?

Ist der Erdmantel fest? Aggregatzustand im Fokus

Die Frage, ob die mittlere Schicht unseres Planeten flüssig oder solide ist, beschäftigt die Geologie seit langem. Das Verständnis dieser Beschaffenheit schützt vor falschen Vorstellungen über globale Prozesse im Erdinneren. Ein Blick auf die physikalischen Bedingungen klärt fundamentale Irrtümer auf.

Ist der Erdmantel fest oder flüssig? Die schnelle Antwort

Ob die Frage, ist der erdmantel fest, mit einem klaren Ja beantwortet werden kann, hängt stark vom betrachteten Zeitraum und der genauen Tiefe ab. Der Erdmantel ist weder völlig starr noch vollständig flüssig, sondern wird als viskoelastischer Feststoff beschrieben, der sich unter kurzzeitigem Stress fest verhält, über Millionen von Jahren jedoch wie eine extrem zähe Flüssigkeit fließt.

Mit einer durchschnittlichen Mächtigkeit von rund 2.850 Kilometern macht diese Gesteinsschale etwa 84 Prozent des gesamten Erdvolumens aus. Lange Zeit hielt sich das hartnäckige Schulbuch-Missverständnis (das ich früher selbst geglaubt habe), unter unseren Füßen schwimme die Erdkruste auf einem riesigen Ozean aus glühender Lava. Nichts könnte weiter von der Wahrheit entfernt sein. Tatsächlich besteht diese gewaltige Schicht fast durchgehend aus heißem, unter extremem Druck stehendem Gestein. Wie genau diese extreme Dichte das Fließverhalten des Gesteins steuert - und welche Rolle dabei ein winziger Schmelzanteil spielt - schauen wir uns im Abschnitt über die Mantelkonvektion noch genauer an.

Warum ist der Erdmantel trotz extremer Hitze nicht flüssig?

Obwohl die Temperaturen im Erdinneren weit über dem normalen Schmelzpunkt von Gestein liegen, verhindert der gewaltige Druck im Erdmantel das Aufschmelzen. Da festes Gestein weniger Raum einnimmt als flüssiges Magma, zwingt das Gewicht der darüber liegenden Schichten die Atome in ein festes Kristallgitter.

An der Grenze zum Erdkern steigen die Temperaturen auf über 3.500 Grad Celsius an, was an der Erdoberfläche jedes bekannte Gestein sofort verdampfen oder schmelzen ließe. Doch hier unten herrschen ganz andere physikalische Gesetze. Man kann es sich wie einen Schnellkochtopf vorstellen: Durch den hohen Innendruck fängt das Wasser erst weit über 100 Grad an zu kochen. Im Erdinneren ist dieser Effekt noch drastischer. Selbst bei glühender Hitze bleibt das Material kompakt und fest. Erst wenn dieses heiße Gestein durch geologische Prozesse nach oben steigt und der Druck nachlässt, beginnt es teilweise zu schmelzen und bildet Magma.

Viskoelastizität einfach erklärt: Der Knete-Vergleich

Um den aggregatzustand erdmantel greifbar zu machen, hilft ein Blick auf alltägliche Materialien wie Silikonknete oder zähe Zahnpasta. Wenn man einen Klumpen Silikonknete schnell mit einem Hammer schlägt, zerspringt er wie sprödes Glas. Lässt man denselben Klumpen jedoch über Nacht auf dem Tisch liegen, zerfließt er durch die bloße Schwerkraft zu einem flachen Fladen.

Genauso verhält sich das Gestein tief unter unseren Füßen. Treffen schnelle Erdbebenwellen auf den Erdmantel, reagiert dieser wie ein starrer, elastischer Festkörper und leitet die Erschütterungen weiter. Wirken hingegen über Millionen von Jahren langsame Kräfte auf das Material ein, gibt das Kristallgitter nach und das Gestein beginnt zu kriechen. Ehrlich gesagt hatte ich anfangs enorme Schwierigkeiten, mir vorzustellen, wie massiver Fels überhaupt fließen kann, ohne flüssig zu sein. Doch auf atomarer Ebene wandern lediglich winzige Gitterfehler durch die Kristalle - ein Prozess, der im menschlichen Zeitmaßstab völlig unsichtbar bleibt.

Aus was besteht der Erdmantel und wie sind seine Schichten aufgebaut?

Der Erdmantel besteht hauptsächlich aus silikatischen Gesteinen, die reich an Eisen und Magnesium sind, allen voran dem dunkelgrünen Gestein Peridotit. Bezüglich der Festigkeit unterteilt sich der Mantel in einen starren lithosphärischen Bereich, die plastische Asthenosphäre und den unter extremem Druck stehenden unteren Mantel.

Peridotit setzt sich zu mindestens 40 Prozent aus dem Mineral Olivin sowie aus Pyroxenen zusammen. In den ersten 100 Kilometern Tiefe bildet der oberste Teil des Mantels zusammen mit der Erdkruste die sogenannte Lithosphäre. Hier ist das Gestein noch vergleichsweise kühl und spröde, weshalb es bei tektonischen Spannungen bricht und Erdbeben auslöst. Darunter schließt sich bis in etwa 410 Kilometer Tiefe die Asthenosphäre an. In dieser Zone ist das Gestein durch hohe Temperaturen so weich und plastisch, dass die starren Lithosphärenplatten darauf gleiten können.

Ist der obere Erdmantel flüssig? Die Rolle der Asthenosphäre

Entgegen einer weit verbreiteten Annahme ist selbst die weiche Asthenosphäre im oberen Erdmantel keineswegs ein flüssiges Magmabeer. Lediglich ein winziger Anteil von etwa 1 bis 5 Prozent des Gesteins liegt hier tatsächlich in geschmolzener Form vor.

Dieser minimale Schmelzfilm bildet sich an den Korngrenzen der Minerale und wirkt dort wie ein Schmiermittel. Man darf sich das nicht wie einen unterirdischen See vorstellen, sondern eher wie einen feuchten Schwamm: Das Grundgerüst bleibt ein fester, zusammenhängender Körper, aber die minimale Flüssigkeit in den Zwischenräumen macht das gesamte System extrem verformbar. Weiter unten, im unteren erdmantel bis in 2.898 Kilometer Tiefe, steigt der Druck wieder so stark an, dass selbst diese winzigen Schmelzanteile verschwinden und das Gestein wieder deutlich zäher wird.

Mantelkonvektion: Wie sich festes Gestein im Erdinneren bewegt

Hier zeigt sich nun das eingangs erwähnte Zusammenspiel aus Hitze und Dichte: Durch die sogenannte Mantelkonvektion zirkuliert das feste Mantelgestein in gigantischen Walzen mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 Zentimetern pro Jahr. Diese extrem langsame Strömung kühlt den heißen Erdkern ab und treibt gleichzeitig die Bewegung der Kontinente an der Erdoberfläche an.

Das Prinzip ähnelt einem Topf mit dickflüssigem Brei auf einer Herdplatte.

Unten am Erdkern erhitzt sich das Gestein, dehnt sich minimal aus, verliert an Dichte und steigt über Jahrmillionen langsam auf. Oben unter der Erdkruste kühlt es wieder ab, wird schwerer und sinkt zurück in die Tiefe. Für einen einzigen kompletten Umlauf benötigt das Material rund 240 Millionen Jahre. Selten findet man in der Natur einen Prozess, der so gewaltige geologische Konsequenzen hat und dabei doch langsamer abläuft als das Wachstum menschlicher Fingernägel. Viele populärwissenschaftliche Grafiken zeigen hier leuchtend rote Magmaströme - doch in Wahrheit bewegt sich hier glühend heißer, aber fester Fels.

Vergleich der mechanischen Schichten von Kruste und Erdmantel

Lithosphäre (Kruste und oberster Mantel)

• 0 Prozent (vollständig fest)

• 0 bis etwa 100 Kilometer (unter Kontinenten teilweise tiefer)

• Starrer, spröder Festkörper, der unter Spannung zerbricht

• Bildet die tektonischen Erdplatten, auf denen wir leben

Asthenosphäre (Teil des oberen Mantels)

• Geringfügig partiell aufgeschmolzen (ca. 1 bis 5 Prozent)

• Etwa 100 bis 410 Kilometer

• Zäh-plastischer, viskoelastischer Feststoff mit hoher Verformbarkeit

• Wirkt als weiche Gleitschicht für die darüber liegenden Kontinentalplatten

Unterer Erdmantel (Mesosphäre)

• Nahezu 0 Prozent (Druck verhindert Aufschmelzen trotz über 3.500 Grad Celsius)

• 660 bis 2.898 Kilometer (Mantel-Kern-Grenze)

• Sehr fester, extrem zäher Feststoff unter gewaltigem Druck

• Hauptmotor der langsamen thermischen Mantelkonvektion

Lukas und das Rätsel um die Vulkan-Lava im Geographie-Projekt

Lukas, ein 16-jähriger Schüler aus München, sollte ein Referat über den Aufbau der Erde halten und war fest davon überzeugt, dass der gesamte Erdmantel aus flüssiger Lava besteht. Schließlich tritt bei Vulkanausbrüchen ständig flüssiges Gestein aus der Tiefe aus.

Bei seiner ersten Recherche stieß er auf Seismik-Daten von Erdbeben, die genau das Gegenteil zeigten: Sogenannte Scherwellen durchqueren den gesamten Erdmantel problemlos, obwohl diese Wellenart in Flüssigkeiten sofort verschluckt wird. Lukas war frustriert und dachte zunächst, er hätte die Diagramme falsch gelesen.

Erst als sein Lehrer ihm ein Glas mit zähem Honig und einen Knetball zum Vergleich zeigte, fiel bei ihm der Groschen. Er verstand, dass das Mantelgestein fest ist und erst beim Aufsteigen durch den plötzlichen Druckabfall kurz unter der Erdkruste schmilzt.

In seinem Vortrag erklärte Lukas diesen Unterschied zwischen festem Mantelgestein und lokalem Magma so anschaulich, dass er nicht nur die Bestnote erhielt, sondern auch seine Mitschüler das gängige Lava-Missverständnis sofort durchschauten.