Mantelkonvektion und Plattentektonik

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 Aufströme. 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 die folgenden Themen:

 

 

Zusammenhang von Mantelkonvektion und Lithosphärendynamik auf Erde, Mond und Planeten

Mantelkonvektion liefert auf der Erde die treibenden Kräfte für tektonische Plattenbewegungen. Sie verursacht Spannungen in der Lithosphäre und Vertikalauslenkungen, sogenannte dynamische Topographie, sowohl auf der Erde als auch auf anderen Himmelskörpern. Wir modellieren diese Vorgänge numerisch. Indem wir eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen Modellergebnissen und Beobachtungsdaten anstreben, versuchen wir, Erkenntnisse über Dichteverteilung und Rheologie abzuleiten. Wir interessieren uns auch dafür, wie die dynamische Topographie Oberflächenprozesse beeinflussen kann, wie zum Beispiel Vergletschungen.

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Hotspot tracks und andere Bezugssysteme für Plattentektonik

Um die Wechselwirkung der Erdoberfläche und des tiefen Erdmantels durch die geologische Zeit zu verstehen, ist es notwendig, die tektonischen Plattenbewegungen über dem Erdmantel zu kennen. Die Geometrie und die radiometrische Altersverteilung entlang von Hotspot-Spuren sind wichtige Beobachtungen, um die Plattenbewegungen zu bestimmen. Wir tragen zur Verbesserung von Hotspot-Bezugssystemen bei, indem wir neue Altersdaten und numerische Modelle der Hotspot-Bewegung berücksichtigen.

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Rolle von Mantelplumes in der Dynamik des Erdmantels

Wenn subduzierte Platten in den untersten Mantel sinken, schieben sie sowohl die heiße thermische Grenzschicht oberhalb der Kern-Mantel-Grenze als auch chemisch schweres Material, das sich im untersten Mantel ansammelt, vor sich her. Das schwere Material wird aufgehäuft, und das heiße Material steigt von seinen Rändern der Haufen aus auf in Form von Mantelplumes. Wir untersuchen, wie und wo sich Plumes und Haufen bilden, und wie die Mitnahme von schweren Materialien die Dynamik der Plumes beeinflusst.

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Wechselwirkung von Mantelplumes mit der Lithosphäre

Wenn Plumes auf die Basis der Lithosphäre treffen, können sie zu Intraplatten-Vulkanismus führen. Die Verteilung des Vulkanismus hängt jedoch entscheidend von den Schwankungen der Lithosphärendicke ab und davon, ob sich ozeanische Spreizungszonen in der Nähe befinden. Wir führen numerische Modellrechnungen von Plumes durch, die mit vorgegeben Plattenbewegungen an der Erdoberfläche, und Lithosphäre unterschiedlicher Dicke wechselwirken. Die modellierte Form der Plumes wird mit tomographischen Bildern, und die modellierte Verteilung von Schmelzen mit Hotspot-Spuren verglichen. Wir haben Fallstudien für Tristan, Reunion, Island und Kerguelen durchgeführt.

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Echte Polwanderung

Eine Änderung der Orientierung der festen Erde als Ganzes relativ zur Drehachse wird echte Polwanderung genannt. Sie wird durch Änderungen in der Massenverteilung der Erde verursacht. Wir modellieren die echte Polarwanderung, zum Beispiel aufgrund der sich in der Erdgeschichte ändernden Verteilung der Subduktion. Die Modellierungsergebnisse werden mit der bepbachtungsbasierten Polwanderung verglichen, welche aus Unterschieden in den Plattenbewegungen im paläomagnetischen Bezugssystem und im Bezugssystem des Erdmantels abgeleitet wird. Diskrepanzen können zum Beispiel auf Mängel im Modell der Subduktionsgeschichte zurückzuführen sein.

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Bernhard Steinberger
Arbeitsgruppenleiter
Dr. Bernhard Steinberger
Geodynamische Modellierung
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