Sektion 2.5: Geodynamische Modellierung

The images illustrate the plate speed-up of South America, Australia, and North America during the fragmentation of Pangea. The process is linked to the rift-induced damage of the breaking continent, as illustrated in the lower right image.

Unser Ziel ist es, das Verständnis von geodynamischen Prozessen innerhalb der festen Erde und ihren Ausdruck an der Oberflächen auf einem breiten räumlichen und zeitlichen Spektrum durch fortgeschrittene numerische Modellierung zu verbessern. Unsere Forschungsschwerpunkte liegen sowohl an den Plattengrenzen als auch innerhalb der Platten, im tiefen Mantel ebenso wie an der Oberfläche. Randbedingungen für unsere Modelle sind multidisziplinäre Oberflächenbeobachtungen, die vom GFZ und der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft erworben wurden. Wir suchen nach praktischen Anwendungen der Grundlagenforschung, wie Tsunami-Frühwarnung und Gefahrenbeurteilung. Um unsere Ziele zu erreichen, entwickeln wir eigene numerische Methoden und Werkzeuge, aber verwenden auch umfangreiche numerische Techniken, die von der internationalen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt werden.

Neuigkeiten

Juli 2021: Veröffentlichung über Plume-induzierte Plattenrotation, die Subduktion initiiert

Vor rund 105 Millionen Jahren spaltete sich die Indische Platte auf einer Länge von 7.500 Kilometern von der Afrikanischen Platte ab. In einem in Nature Geoscience veröffentlichten Artikel wird ein Mantelplume als Auslöser identifiziert. Den Erkenntnissen zufolge bewegte sich die Indische Platte nicht einfach weg von Afrika, sondern drehte sich dabei. Grund dafür ist der Subkontinent, dessen Landmasse auf der weit größeren Platte wie eine Achse wirkt, um die sich die gesamte Platte dreht. Im Süden öffnete sich die Schere, im Norden schloss sie sich – dort wurden Gebirgsbildungsprozesse und das untereinander Abtauchen von Krustenplatten („Subduktion“) induziert. Bernhard Steinberger hat berechnet, welche Bewegung und welchen Druck der Supervulkan nahe dem heutigen Madagaskar weiter im Norden an der Arabischen Halbinsel und im jetzigen Mittelmeerraum bewirken konnte.

April 2021: Willkommen Kai Li

Wir freuen uns, unser neues Sektionsmitglied, Kai Li , bei uns begrüßen zu dürfen. Kai schloss seinen Master an der China University of Geosciences ab, wo sich seine Studien auf die tiefe Krustenstruktur im Südchinesischen Meer konzentrierten. Mit Hilfe der Gravitationsmodellierung und der integrierten geophysikalisch-petrologischen Modellierung hat er dabei die Eigenschaften der Krusten- und Lithosphärenstrukturen analysiert. In unserer Sektion wird Kai die geodynamische Software ASPECT verwenden, um Gesteinsmechanik, Rheologie und grundlegende physikalische Prinzipien zu kombinieren und um Schlüsselprozesse wie Verwerfungen, Fließen der unteren Kruste und Magmatismus zu reproduzieren.

Januar 2021: Willkommen Poulami Roy

Wir freuen uns, unser neues Sektionsmitglied, Poulami Roy , bei uns begrüßen zu dürfen. Poulami erhielt einen M.Sc. von der Presidency University, Kolkata und einem M.Tech. vom Indian Institute of Science, Bangalore. Während ihres M.Tech-Projekts arbeitete Poulami an der Einschränkung der Mantelviskositätsstruktur basierend auf seismischen Anisotropiedaten. Sie berechnete Deformationen basierend auf seismischer Tomographie und bewertete die Empfindlichkeit der seismischen Anisotropie gegenüber Viskositätsschwankungen in der Lithosphäre und Asthenosphäre. Ihr Ergebnis zeigt, dass die Lithosphäre eine Viskosität von 10 ²² Pa-s hat und die Viskosität der Asthenosphäre im Bereich von 3 × 10 ²° bis 5 × 10 ²° Pa-s liegt. Sie möchte diese Idee auf den tiefen Mantel übertragen, was weitaus schwieriger ist, da die seismischen Beobachtungen im unteren Mantel im Vergleich zum oberen Mantel weitaus geringer sind. Darüber hinaus hat der untere Mantel andere rheologische sowie unterschiedliche chemische Eigenschaften als der obere Mantel. Sie wird den Mantelkonvektionscode Aspect verwenden, um den Verformungsverlauf zu verfolgen und seismische Anisotropie aufgrund verschiedener Verformungsmechanismen modellieren.

November 2020: Willkommen Dr. Elodie Kendall

Wir freuen uns, unser neues Sektionsmitglied, Dr. Elodie Kendall , bei uns begrüßen zu dürfen.  Elodie schloss ihre Doktorarbeit am University College London ab, wo sich ihr Promotionsstudium auf die Kombination von Mantel-Konvektionsmodellen mit Berechnungen der Gesteinsstruktur konzentrierte, um Merkmale in der seismischen Tomographie besser zu verstehen. Insbesondere verwendete sie seismische Vorwärts- und inverse Modellierungstechniken, um die Anisotropie im oberen Mantel des Pazifiks zu beurteilen sowie Ridge-Flow-Modelle einschließlich Plumes, um die verschiedenen Mechanismen hinter diesen Merkmalen zu identifizieren. In unserer Sektion wird Elodie an der Hypothese arbeiten, dass Oberflächenprozesse (Erosion/Sedimentation, Verwitterung, Klima) die Entstehung und Entwicklung der Plattentektonik (Sobolev und Brown, 2019) weitgehend kontrollierten und zwar unter Verwendung der Modellierung sowie vorhandener und neuer geochemischer Daten.

November 2020: Willkommen Dr. Charitra Jain

Wir freuen uns, unser neues Sektionsmitglied, Dr. Charitra Jain , bei uns begrüßen zu dürfen. Sein übergreifendes Forschungsinteresse liegt darin, unser Verständnis der planetarischen Entwicklung mit Hilfe von geodynamischen Modellen voranzubringen. In unserer Sektion wird er im Rahmen des ERC-Projekts MEET daran arbeiten, Modelle der frühen Erdentwicklung unter Verwendung neuer geochemischer und geologischer Daten zu testen. Bevor er zum GFZ Potsdam kam, arbeitete er als Postdoctoral Research Associate an der Durham University, um die Bildung der kratonischen Lithosphäre (alte kontinentale Kerne) in globalen Mantel-Konvektionsmodellen zu untersuchen. Diese Modelle wurden durch petrologische Daten wie die Bedingungen des magmatischen Protolithen P-T und die Magnesiumzahl der archaischen Peridotite eingeschränkt. Während seiner Doktorarbeit an der ETH Zürich erweiterte er die Schmelzparametrisierung im Konvektionscode StagYY, um die Urkontinentalkruste der Erde (TTG-Gesteine) selbstkonsistent zu erzeugen. Ein zentrales Ergebnis dieser Forschungsbemühungen war ein zweistufiges Wachstum von TTG ohne die Notwendigkeit einer subduktionsgetriebenen Plattentektonik. Darüber hinaus hat er den Einfluss der Kerntemperatur, der kontinentalen Größe und der radiogenen Erwärmung auf die Erwärmung des subkontinentalen Erdmantels quantifiziert und aufgeklärt.

Arbeitsgruppen

Dynamik der frühen Erde und Entwicklung der Plattentektonik

Die Plattentektonik ist der wichtigste geologische Prozess auf der Erde, der ihre Oberfläche formt und sie einzigartig unter den Planeten im Sonnensystem macht. Doch wie die Plattentektonik auf der Erde entstanden ist, welche tektonische Prozesse vorher eine Rolle spielten und welche Faktoren die Entwicklung der Plattentektonik in der Erdgeschichte gesteuert haben, bleibt umstritten. Wir gehen diesen Fragen im Rahmen des ERC Synergy Grant-Projekts MEET (Monitoring of Earth Evolution through Time) nach, indem wir numerische Modellierung verwenden, um verschiedene geodynamische Hypothesen mit neuen geochemischen Daten zu testen.

Website der Arbeitsgruppe Dynamik der frühen Erde und Entwicklung der Plattentektonik

Subduktion über die Skalen hinweg

Subduktion ist ein Schlüsselprozess der Plattentektonik. Wir entwickeln thermomechanische Subduktionsmodelle in einem großen Bereich von zeitlichen Skalen, von Minuten (Erdbeben) über Erdbebenzyklen (Jahrhunderte) und mehrere seismische Zyklen (Jahrtausende) bis hin zu Langzeitentwicklungen über Millionen von Jahren. Wir untersuchen wie der Beginn von Subduktionszonen in der frühen Erde und in heutigen Umgebungen stattfindet, einschließlich passiver Kontinentalränder und ozeanischer Becken. Wir modellieren auch den Effekt der Subduktion auf die Verformung der kontinentalen, nicht-subduzierenden Platte zum Beispiel in den südamerikanischen Anden.

Webseite der Arbeitsgruppe Subduktion über Skalen hinweg

Globale Geodynamische Modellierung

Der Erdmantel verhält sich über längere geologische Zeiträume wie eine sehr zähe Flüssigkeit. Kalte Erdplatten tauchen von der Oberfläche zur Kern-Mantel-Grenze ab, und heisses Material steigt von dort auf in Form von Mantelplumes und als großräumige Ausströme. Wir versuchen durch numerische Modellierung mit verschiedenen Beobachtungsdaten, insbesondere aus der Seismologie, Geodäsie und Mineralphysik als Randbedingungen, Vorgänge im Erdinneren besser zu verstehen. Insbesondere untersuchen wir den Zusammenhang von Mantelkonvektion und Plattentektonik, wir beschäftigen uns mit der Rolle von Mantelplumes und ihrem Einfluss auf die Lithosphäre, und wir untersuchen den Anteil der echten Polwanderung an den Bewegungen an der Erdoberfläche.

Webseite der Arbeitsgruppe  Globale Geodynamische Modellierung

Riftsysteme und Entstehung passiver Kontinentalränder

Rifting der kontinentalen Kruste findet dort statt, wo die Erdplatten wie im Ostafrikanischen Grabensystem gedehnt werden. In Folge des Zerbrechen eines Kontinents bilden sich zwei passive Kontinentalränder entlang eines neuen Meeresbeckens. Wir untersuchen die Dynamik kontinentaler Rifts und passiver Kontinentalränder durch Kombination numerischer Simulationen mit geophysikalischen und geologischen Beobachtungen. Zu diesem Zweck modellieren wir Prozesse, die von Mantelkonvektion und Mantelplumes über Lithosphärendeformation an Plattengrenzen bis hin zur Spannungslokalisierung auf der cm-Skala reichen.

Webseite der Arbeitsgruppe CRYSTALS

Tsunami Gefährdung und Frühwarnung

Seit dem Mega-Erdbeben vor Sumatra (2004) und dem daraus folgenden Killer-Tsunami im Indischen Ozean leistet das GFZ Forschung- und Entwicklungsarbeit in den Bereichen Tsunami-Gefährdungsanalyse und -Frühwarnung. Die Sektion 2.5 “Geodynamische Modellierung” unterstützt diese Aktivitäten mittels numerischer Simulationen von Tsunami Generierung, Ausbreitung und Küstenaufprall. Wir verwenden sowohl deterministische als auch probabilistische Ansätze. Darüber hinaus beteiligt sich die Sektion 2.5 an der methodischen Entwicklung der innovativen GNSS-basierten Technologie zur Tsunami Frühwarnung.

Webseite der Arbeitsgruppe Tsunami Gefährdung und Frühwarnung

 

 

Sascha Brune
Leitung
Priv. Doz. Dr. Sascha Brune
Geodynamische Modellierung
Albert-Einstein-Straße 42-46
Gebäude A 46, Raum 202
14473 Potsdam
+49 331 288-1928
Zum Profil