Studie: Die Dichte tektonischer Platten oder: Warum versinken sie im Erdmantel?

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Eine neue Studie von Wissenschaftlern des Instituts für Geowissenschaften Jaume Almera des spanischen Nationalen Forschungsrats (ICTJA-CSIC) hat ergeben, dass eine schnelle Kollisionsrate zwischen tektonischen Platten und ein junges Alter (Millionen Jahre) zwei der Faktoren sind, die das Absinken der Lithosphäre in den Mantel begünstigen. Die Studie wurde kürzlich in Scientific Reports veröffentlicht. Die Autoren der Studie haben ein neues numerisches Modell entwickelt, um die Auswirkungen der Konvergenzrate zwischen den tektonischen Platten und ihrer Zusammensetzung auf die Dichte des lithosphärischen Mantels zu untersuchen. Dies fördert das Absinken bei Subduktions- oder Delaminierungsprozessen entweder oder verhindert es.

“Das in dieser Studie entworfene Modell bietet einen theoretischen Rahmen für das Verständnis der Stabilität der Lithosphäre während der Konvergenz der tektonischen Platten”, sagt Kittiphon Boonma, Doktorand des SUBITOP-Projekts am ICTJA-CSIC und Erstautor der Studie.

Die Lithosphäre ist die starre äußerste Schicht der Erde, die die Kruste und den obersten Mantel umfasst und die tektonischen Platten bildet. Diese Platten gleiten und bewegen sich über die Asthenosphäre, eine dichtere und zähere Schicht des sublithosphärischen Mantels. In den Bereichen, in denen die Platten aufeinander treffen, sinkt eine der Platten unter die andere und schiebt sich in den sublithosphärischen Mantel. Dies wäre der typische Fall einer ozeanischen Lithosphären-Subduktion.

Eine andere Möglichkeit ist, dass sich in kontinentalen Kollisionszonen der lithosphärische Mantel einer der Platten von der Kruste trennt (“abblättert”) und in einem als Delamination bezeichneten Prozess in die Asthenosphäre absinkt. Beide Prozesse reagieren empfindlich auf die Dichte des lithosphärischen Mantels, die gleichzeitig von Druck, Temperatur und chemischer Zusammensetzung beeinflusst wird, bzw. von der Konvergenzgeschwindigkeit und dem Alter der Lithosphäre.

“Unsere Simulationen kombinieren die lithosphärische Zusammensetzung für verschiedene Plattenalter mit einem breiten Spektrum von Plattenkollisionsraten, um zu verstehen, was den positiven oder negativen Auftrieb der Lithosphäre bestimmt”, sagt Daniel García-Castellanos, Forscher am ICTJA-CSIC und Mitautor der Studie.

“Der größte Fortschritt unserer Arbeit ist die Analyse der Abhängigkeit des Auftriebs des Lithosphärenmantels von den Dichtevariationen, die sich aus der Advektions-Diffusions-Balance ergeben. Dabei wird ein breites Spektrum an tektonischen Konvergenzraten und unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen des Lithosphärenmantels berücksichtigt”, sagt Kittiphon Boonma.


Anmerkung von Autor: Die Advektions-Diffusions-Balance

Die Konvektions-Diffusions-Gleichung ist eine partielle Differentialgleichung aus dem Gebiet der statistischen Physik und der Transportphänomene. Sie beschreibt den Transport von Teilchen, Energie, Temperatur usw. durch eine Kombination von Diffusion und Fluss (Konvektion/Advektion).


Die Forscher führten mehrere Simulationen mit dem neuen Modell durch, wobei sie drei verschiedene Arten kontinentaler Lithosphäre mit einem Alter zwischen 2,5 Millionen und 1 Million Jahren und zwei ozeanische Lithosphären im Alter von 120 bis 30 Millionen Jahren berücksichtigten. Sie berücksichtigten zudem sechs verschiedene Konvergenzraten zwischen 1 und 80 mm/Jahr. Die Simulationen zielten darauf ab, den Einfluss der unterschiedlichen Kollisionsraten und Zusammensetzungen auf die lithosphärische Manteldichte zu untersuchen.

“Bei Subduktions- oder kontinentalen Kollisionsprozessen gibt es zwei gegensätzliche Effekte, die die Manteldichte beeinflussen. Die Dichte nimmt durch den Druckanstieg zu, aber gleichzeitig nimmt sie durch den Temperaturanstieg, der durch die Tiefe erzeugt wird, tendenziell ab. Das Überwiegen eines dieser beiden Effekte hängt von der Konvergenzgeschwindigkeit ab. Außerdem hängt die Manteldichte auch von ihrer eigenen chemischen Zusammensetzung ab. Es wurde beobachtet, dass sie mit dem Alter abnimmt”, erklärt Manel Fernández, Mitautor der Studie.

Die Ergebnisse des Modells zeigen, dass der älteste und dickste kontinentale lithosphärische Mantel (Archon) weniger dicht ist, wenn das Absinken der Asthenosphäre vermieden wird. Bei niedrigen und mäßigen Konvergenzraten fanden die Forscher heraus, dass sich die beiden anderen Typen des kontinentalen Lithosphärenmantels aufgrund ihrer geringeren Mächtigkeit und des Dichteverlusts, der durch den Temperaturanstieg in der Tiefe verursacht wird, vom Absinken in den Aufenthaltsbereich der Lithosphäre verschoben. Letztendlich sanken die beiden unterschiedlichen Typen ozeanischer Lithosphäre aufgrund ihrer größeren Dichte, die sich aus ihrer Zusammensetzung ergab – unabhängig von der angewandten Konvergenzrate – immer ab.

“Nach diesen Ergebnissen ist die Wahrscheinlichkeit, dass einer der Platten delaminiert oder in Richtung Mantel sinkt, umso größer, je schneller die Konvergenzrate zwischen zwei Kontinenten ist”, erklärt Daniel García-Castellanos.

“Die Ergebnisse legen eine Erklärung dafür nahe, warum die jungen Platten oft leicht im Mantel versinken und dort recycelt werden, während Kratone (älteste Kontinentalregionen) den Veränderungen der tektonischen Kräfte während der Erdgeschichte besser widerstehen und weniger anfällig für Subduktion oder Delamination sind”, sagt García-Castellanos.


Veröffentlichung: K. Boonma et al. Lithospheric mantle buoyancy: the role of tectonic convergence and mantle composition, Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-54374-w

Quelle: off. Pm des Institue of Earth Sciences Jaume Almera.

Titelbildunterschrift: Eine schematische Zusammenfassung der Auswirkung der Konvergenzgeschwindigkeit. Das obere Bild zeigt eine langsame Konvergenzgeschwindigkeit, die eine thermische Difussion und eine daraus abgeleitete Reduzierung der Dichte der Platte (positiver Auftrieb) ermöglicht. Das untere Bild zeigt, wie eine schnellere Konvergenzgeschwindigkeit die Dichte der Platte erhöht und damit den negativen Auftrieb fördert. (Ill.: Kittiphon Boonma, Wissenschaftliche Berichte)

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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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