Subduktion über Skalen hinweg

Skalenübergreifendes Modell des seismischen Zyklus von großen Subduktions-Erdbeben

Subduktion ist im Wesentlichen ein Multi-Skalen-Prozess, bei dem die Spannungen durch langfristige tektonische Bewegungen erzeugt werden, durch plötzliche ruckartige Deformationen während Erdbeben verändert und dann durch Aufeinanderfolge mehrerer Relaxationsprozesse wiederhergestellt werden. In Zusammenarbeit mit RU 4 entwickeln wir ein skalenübergreifendes thermomechanisches Modell zur Simulation des Subduktionsprozesses auf einer Zeitskala von ca. 1 Minute (Erdbeben) bis Millionen Jahre. Es erzeugt spontane Erdbebensequenzen und simuliert den Verformungsprozess, der während des seismischen Zyklus und multipler seismischer Zyklen in der Natur beobachtet wird. Eine überraschende Vorhersage des Modells ist, dass die Viskosität im Mantelkeil bei großen Erdbeben mit Magnitude über 9 um mehr als drei Größenordnungen abfällt. Dadurch wird die postseismische transiente Deformation nach nur einer Stunde oder einem Tag in einem mehrere hundert Kilometer breiten Mantelkeil durch viskoelastische Relaxation dominiert, und nicht durch das an der Verwerfung lokalisierte Nachgleiten, wie es derzeit angenommen wird. Das Modell zeigt auch, dass es keinen Widerspruch gibt zwischen der extrem niedrigen mechanischen Kopplung an der Subduktion Megathrust in Südchile, die aus geodynamischen Modellen der langfristigen Entwicklung abgeleitet wird, und dem Auftreten der größten Erdbeben, wie dem Großen Chile-Erdbeben von 1960 gibt.

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Initiierung der Subduktion in der frühen Erde und Beginn der Plattentektonik

Die Erde ist der einzige Planet im Sonnensystem, der Plattentektonik aufweist, aber wie dieser Prozess begann, bleibt eine unbeantwortete Frage. In Zusammenarbeit mit RU1 hat eine fortgeschrittene numerische 3D-Modellierung gezeigt, dass ein heißer Mantelplume, der aus dem tiefen Mantel zur Lithosphäre aufsteigt, die intakte äußere Hülle der frühen Erde zerstört und die erste großflächige Subduktion ausgelöst haben könnte. Die Studie legt nahe, dass Mantelplumes nicht nur bei der Bildung von divergenten Plattengrenzen und ozeanischen Plateaus eine wichtige Rolle spielen, sondern auch bei der Initiierung von Subduktionszonen und möglicherweise auch beim Beginn der Plattentektonik auf der Erde.

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Neuer Blick auf das klassische Konzept des Wilson-Zyklus

Das klassische Konzept des Wilson-Zyklus, das das wiederholte Öffnen und Schließen von Ozeanbecken beschreibt, postuliert die spontane Umwandlung passiver Kontinentalränder in Subduktionszonen. Der Zusammenbruch der passiven Ränder ist in der Schlussphase des Wilson-Zyklus essentiell; da sich jedoch im Känozoikum keine passiven Ränder in aktive umgewandelt haben, ist der Wilson-Zyklus ein herausforderndes und umstrittenes Thema unter Geowissenschaftlern. Basierend auf 2D-thermomechanischen Modellen schlagen wir eine modifizierte Version des Wilson-Zyklus Konzepts vor, bei dem die Umwandlung eines passiven Randes in eine Subduktionszone durch den induziert wird durch Mantelströmungen, die wiederum durch benachbarte Subduktionszonen erzeugt werden, zusammen mit Plattenresten früherer Subduktionszonen im mittleren Mantel. Modelle deuten darauf hin, dass dies ein langfristiger Prozess ist, was das Fehlen känozoischer Beispiele erklärt. Wir vermuten, dass sich neue Subduktionszonen entlang des argentinischen passiven Kontinentalrands und der US-Ostküste in den nächsten mehreren zehn Millionen Jahren bilden können.

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Plume-induzierte Subduktionsinitiation auf der modernen Erde

Trotz ihrer Bedeutung sind viele Aspekte der Subduktion noch immer wenig bekannt, und die umstrittensten Fragen sind, wo neue Subduktionszonen entstehen und wie dieser Prozess abläuft. 3D-thermo-mechanische Modelle untersuchen die Bedingungen, die zu einer plume-induzierten Subduktionsinitiation in der modernen Erde führen. Sie zeigen vier verschiedene Deformationsregimes als Reaktion auf die Wechselwirkung zwischen Plume und Lithosphäre: a) eine selbsterhaltende Subduktionsinitiation, bei der die Subduktion selbsterhaltend wird; b) eingefrorene Subduktionsinitiation, bei der die Subduktion in geringen Tiefen stoppt; c) Slababriss, bei dem ein abtauchendes kreisförmiges Slab kurz nach seiner Entstehung abbricht; und d) Plume-Underplating, bei dem der Plume nicht durch die Lithosphäre hindurchbricht und sich stattdessen unter ihr ausbreitet (d. h. fehlgeschlagene Subduktionsinitiierung). Die Ergebnisse der numerischen Experimente sind anwendbar auf die Subduktionsinitiation in der modernen und präkambrischen Erde und auf die Entstehung von plume-bezogenen Koronastrukturen auf der Venus.

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Stephan Sobolev
Sektionsleiter
Prof. Dr. Stephan Sobolev
Geodynamische Modellierung
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