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Beobachtende Geodynamik

Die Konvektion im Mantel ist ein komplexer Prozess. Es gibt eine Vielzahl an physikalischen Parametern, die einen wesentlichen Einfluss auf sie haben. Um zu verstehen, welche Parameter wichtiger sind als andere und um zu bestimmen, welche Werte sie annehmen, müssen Mantelkonvektionsmodelle getestet werden. Glücklicherweise gibt es eine wachsende Anzahl geodynamisch relevanter Beobachtungen für die feste Erde. Sie werden in unserer Gruppe gründlich erforscht und umfassen:

Seismische Wellenausbreitung in geodynamischen Erdmodellen

Die seismische Signatur unseres Planeten ist eine wesentliche Referenz für geodynamische Modelle. In den letzten Jahrzehnten haben seismologische Studien unterschiedliche physikalische Strukturen im Erdmantel entdeckt, die eine Vielzahl geophysikalischer Implikationen mit sich bringen. Während die Seismologie Daten und Modelle des heutigen Zustands der Erde liefert, kann die genaue Natur und Entwicklung des Mantels nur in einem dynamischen Strömungsmodell untersucht werden. Das quantitative Verständnis der Verbindung von Seismologie und Geodynamik ist daher eines unserer Forschungsschwerpunkte. Um die Lücke zwischen geophysikalischen Hypothesen und seismischen Beobachtungen zu schließen, verfolgen wir einen multidisziplinären Ansatz:


Verbindung von Seismologie and Geodynamik

  1. Die Mantelzirkulation wird mit hoher Auflösung simuliert, um das heutige Manteltemperaturfeld vorherzusagen.
  2. Thermodynamische Modelle der Mantelmineralogie werden verwendet, um Temperaturen in seismische Geschwindigkeiten umzuwandeln oder umgekehrt. Dies gewährleistet eine physikalisch konsistente seismische Darstellung des geodynamischen Modells, was eine Voraussetzung ist für die

  3. Berechnung synthetischer seismischer Daten auf globaler Ebene, vor allem Seismogramme mit vollständiger Wellenform aus numerischen 3D-Wellenausbreitungssimulationen.

  4. Synthetische Daten können mit seismischen Beobachtungen verglichen werden, was eine explizite Prüfung des geodynamischen Mantelzirkulationsmodells ermöglicht. Alternativ ist es möglich, geodynamische Modelle direkt mit 3D-Bildern des Mantels zu vergleichen, die durch seismische Tomographie erhalten wurden. Solche Vergleiche sind nur dann sinnvoll, wenn die begrenzte Auflösung der seismischen Tomographie und die damit verbundenen Unsicherheiten berücksichtigt werden. In unseren Studien erfolgt dies durch sogenanntes „tomographisches Filtern“ der geodynamischen Mantelstrukturen. Auf diese Weise können wir unsere Modelle mit derselben „Linse“ betrachten, mit der die seismische Tomographie die reale Erde untersucht.

Im Rahmen unserer seismischen Vorwärtsmodellierung umfassen unsere weiteren Forschungsinteressen im Zwischenbereich von Seismologie und Geodynamik die Rolle von Phasenübergängen für die globale Mantelkonvektion und deren Auswirkungen auf seismische Daten, Eigenschwingungen der Erde zur Eingrenzung von Manteleigenschaften, sowie die Vorhersage von Laufzeitresiduen von Raumwellen in unseren geodynamischen Modellen, berechnet mit strahlentheoretischen und sog. „finite-frequency sensitivity“ Integralkernen.

 

Aktuelle und vergangene Plattenbewegungen

Viele Oberflächenprozesse, einschließlich die Bewegung der tektonischen Platten der Erde, können mit der zugrunde liegenden Mantelzirkulation in Verbindung gebracht werden. Geologische Manifestationen, die dies belegen, finden sich auf der gesamten Erdoberfläche, wie das Andengebirge in Südamerika und die erhöhte Topographie des afrikanischen Kontinents. Diese Oberflächenmerkmale wirken sich wiederum auf die Mantelkonvektion aus und modulieren und organisieren die konvektive Planform.

Es ist möglich, Plattenbewegungen zu rekonstruieren, anhand von Beobachtungen des Alters des Meeresbodens, seiner Magnetisierung und des Auftretens von Bruchzonen. Eine genaue Darstellung dieser Beobachtungen ist für die Untersuchung der Plattentektonik und der Manteldynamik unerlässlich. Ein herausragendes Merkmal vergangener Plattenbewegungen ist die Aufzeichnung schneller (in der Größenordnung von einigen Millionen Jahren) zeitlicher Variationen der Plattenbewegung. Diese Änderungen treten auf kurzen Zeitskalen im Verhältnis zu der Zeit auf, die erforderlich ist, um die mit dem Auftrieb des Mantels verbundene großräumige Struktur zu entwickeln. Vergangene und heutige Plattenbewegungen werden immer besser abgebildet. Sie ermöglichen es Geodynamikern, Strukturen im Mantel mit der Geschichte der Subduktion zu verbinden und die Plattentektonik mit der durch Mantelkonvektion angetriebenen Massenbewegung zu verknüpfen. Eine Schwierigkeit ergibt sich aus der Überlagerung von sublithosphärischen und flachen Plattengrenzkräften. Dies hindert unsere Interpretation von Plattenbewegungen ausschließlich in Bezug auf Kräfte, die mit der Mantelkonvektion oder der Lithosphärendynamik zusammenhängen. Insbesondere konzentrieren sich unsere Bemühungen in diesem Zusammenhang auf (i) die Simulation des Einflusses des sich zeitlich entwickelnden Auftriebsfeldes des Mantels auf Plattenbewegungen; und (ii) das Untersuchen der Dynamik von Mantel- und Lithosphärenwechselwirkungen unter Verwendung der Aufzeichnung von Plattenbewegungen als Referenz zur Validierung der Parameterauswahl in numerischen Simulationen.


Links: Globale Aufzeichnung der Ozeanbodenspreizung seit dem frühen Jura mit Farben, die Spreizungsraten anzeigen und Änderungen der Plattengeschwindigkeit in der Größenordnung von einigen Millionen Jahren enthüllen. Rechts: Relative Bewegungen zwischen Indien/Somalia und Nubien/Somalia in den letzten 20 Millionen Jahren. Abbildungen nach Iaffaldano & Bunge (2015).

 

Mantelströmungsinduzierte dynamische Topographie

Es ist bekannt, dass die Plattentektonik untrennbar mit großen Konvektionskräften im Mantel verbunden ist. Geologische Beobachtungen dokumentieren jedoch auch das Auftreten signifikanter vertikaler Oberflächenbewegungen, die nicht allein durch eustatische Meeresspiegeländerungen oder isostatische Überlegungen erklärt werden können. Die darunter ablaufenden Mantelströmungen sind die wahrscheinliche Ursache für diese Oberflächenauslenkungen. Dies ist als „dynamische Topographie“ bekannt.

Wichtige Beobachtungen, die es uns ermöglichen, die durch den Mantelfluss induzierte dynamische Topographie und ihre zeitliche Entwicklung zu verstehen, finden sich in geologischen Datensätzen, insbesondere in der Verteilung von Sedimenten. Sedimentverteilungen im kontinentalen Maßstab sind durch Diskordanzen (Fehlen einer stratigraphischen Einheit) aufgrund der Nicht-Ablagerung oder Erosion von Sedimentschichten gekennzeichnet. Diese Oberflächen, auch als Hiatusoberflächen bekannt, können für geodynamische Zwecke in der geologischen Zeitskala kartiert werden. Dies ermöglicht es uns, Approximationen für die Paläotopographie zu erhalten. Letztere stellen einen Zusammenhang, zu Änderungen der vertikalen Bewegung der Lithosphäre auf interregionalen Skalen, her. Andere Techniken, die wertvolle Einschränkungen für verschiedene Zeitskalen ergeben, sind beispielsweise GPS-Messungen, Drainageanalyse, Kartierung von Paläoflächen, Thermochronologie und mehr (für einen umfassenden Überblick siehe Hoggard et al. 2020, Observational estimates of dynamic topography through space and time).

Schätzungen der zeitabhängigen dynamischen Topographie bieten eine neue und mächtige Klasse geodynamisch relevanter Beobachtungen, die wir zum Vergleich mit Erdmodellen der nächsten Generation zusammenstellen.

 

Geodätische Randbedingungen


Das (nicht-hydrostatische) Geoid der Erde
abgeleitet aus Daten der
Satellitenmission GRACE

 


„Geoid kernels“ für verschiedene harmonische Grade, entsprechend
einer Viskositätsstruktur, die eine Asthenosphäre im oberen Mantel enthält

 Per Definition führt die Mantelzirkulation zu einer Umverteilung von Massen. Sie hat somit einen dominanten Einfluss auf die innere Dichtestruktur der Erde. Das zugehörige Schwerefeld liefert einen wertvollen Datensatz, um die Eigenschaften des Erdinneren einzugrenzen. Dafür sind moderne Satellitenmissionen, wie z.B. GRACE, GOCE und GRACE-FO in der Lage, eine globale Datenabdeckung und hochgenaue Messungen der heutigen Gravitationsstruktur der Erde bereitzustellen.

 

Leider ist eine direkte Bestimmung der Struktur der Dichte im Erdinneren, die ausschließlich auf Daten zur Schwerkraft beruht, nicht möglich. In Kombination mit der seismischen Tomographie bieten Gravitationssignale jedoch ein leistungsfähiges Werkzeug, um die mögliche radiale Viskositätsstruktur des Mantels einzuschränken. Zu diesem Zweck sind sogenanntegeoid kernels“ bekannt. Sie repräsentieren die Gravitationsantwort einer Einheitsdichteanomalie in einer bestimmten Tiefe, einschließlich der Auswirkungen der strömungsinduzierten dynamischen Topographie. Diese Kernels sind sehr sensitiv gegenüber der Viskositätsschichtung im Erdmantel. Unter Ausnutzung dieser Sensitivität kann gezeigt werden, dass das beobachtete Schwerefeld nur mit einem Viskositätsprofil erklärt werden kann, das einen niedrigviskosen Kanal im oberen Mantel, die sogenannte "Asthenosphäre", enthält.


Oben: Beobachtetes (hydrostatisches) Geoid, das ein starkes Tief im Süden
des kontinentalen Indien aufzeigt (Pail et al. 2010).
Unten: Geoid aus geodynamischen Modellen unter Verwendung
verschiedener Rekonstruktionsszenarien für Plattenbewegungen
der Konvergenz von Indien und Eurasien.
Abbildungen 1 and 5, Nerlich et al. (2016), Geophys. Res. Lett., 43.

 

 

Diese Methode hat einen wesentlichen Nachteil: Das Viskositätsprofil kann nicht eindeutig bestimmt werden. Um diese Unklarheit zu überwinden, muss man sich zeitabhängigen Erdmodellen zuwenden. Dies motiviert logischerweise die Weiterentwicklung von Mantelzirkulationsmodellen.

 

by Roman Freissler last modified 19. Apr 2021 15:54
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Printed 17. May 2021 16:13