Struktur und Entwicklung des tiefen unteren Erdmantels

Einfluss des plattentektonischen Referenzrahmens auf Struktur und Entwicklung des tiefen unteren Erdmantels und auf den Wärmefluss durch die Kern-Mantle-Grenze

Projektbeschreibung

Genaue Kenntnis der räumlichen Verteilung des Wärmeflusses durch die Kern-Mantel-Grenze (KMG) und dessen Entwicklung über geologische Epochen hinweg ist von grundlegender Bedeutung um das Verhaltens des Geodynamos und die zeitliche Variabilität der Dipol-Umkehrungen des Erdmagnetfelds zu verstehen. Auf diesen Zeitskalen werden Variationen des Kern-Wärmeflusses durch Konvektion im Mantel gesteuert. Viele Modelle der Manteldynamik sind jedoch bis heute weitgehend qualitativer Natur. Ein quantitatives Verständnis der Entwicklung von Auftriebskräften und Temperaturschwankungen fehlt bisher. Eine große Herausforderung besteht darin, sowohl Längenskalen als auch Magnituden thermischer und chemischer Heterogenitäten im Mantel durch seismische Beobachtungen zu bestimmen. Zudem muss die geologische Entwicklung des Mantels auf die eine oder andere Weise unter Einbeziehung von Erdbeobachtungen simuliert werden. Hauptziel dieses Projektes ist es, quantitative und robuste Modelle der Entwicklung des unteren Mantels auf Grundlage kompressibler hochauflösender Mantelzirkulationsmodelle (MZM) mit 410 Millionen Jahren Plattenbewegungsgeschichte zu generieren, was zwei Mantelumwälzungen entspricht. Die Zeitspanne der geologisch getriebenen Struktur oberhalb der KMG wird somit mindestens einen vollständigen Superchron-Zyklus abdecken. Hierzu verwenden wir einen multidisziplinären Vorwärtsmodellierungs-Ansatz für die Generierung und Bewertung von Erdmodellen. Um Unsicherheiten abzuschätzen, werden wir den zugrunde liegenden absoluten plattentektonischen Referenzrahmen systematisch variieren. Die Bewertung der MZM erfolgt einerseits durch geodynamisch-tomographische Modellvergleiche, vor allem aber durch Berechnung synthetischer seismischer Daten zum direkten Vergleich mit Erdbeobachtungen. Langperiodische Daten der Erd-Eigenschwingungen sind hier besonders geeignet, da sie eine globale Abdeckung liefern und die sogenannten Splitting-Koeffizienten eine hohe Sensitivität gegenüber Änderungen des absoluten Referenzrahmens zeigen. Alle Komponenten des multidisziplinären Ansatzes sind vorhanden, um eine systematische Untersuchung des Einflusses des Referenzrahmens sowie der Sinkgeschwindigkeit der Platten gesteuert durch unterschiedliche Viskositätsprofile durchzuführen. Unser Projekt wird einen starken Einfluss auf Seismologie, Geodynamik sowie auf tektonische Modellierung, Geochemie und insbesondere Geodynamo-Simulationen haben. Unsere hochauflösenden MZM liefern Vorhersagen für die KMG-Entwicklung ab dem Mesozoikum, einer Zeit der "Hyperaktivität" des Geodynamos. Somit ergänzen sie die rechenintensiven adjungierten Modelle, die Informationen über die KMG für die letzten ~100 Millionen Jahre liefern. Die in diesem Projekt generierten quantitativen Modelle der thermischen Entwicklung des Mantels können im Kontext von DeepDyn direkt mit Geodynamo-Modellen verknüpft und zur Generierung synthetischer Zeitreihen des Erdmagnetfelds verwendet werden.

Beteiligte Forschungsinstitute und externe Kooperationspartner