Konvektion und Plattentektonik. Ringvorlesung WS 2003/2004 Harro Schmeling Institut für Meteorologie und Geophysik Frankfurt/M

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1 Konvektion und Plattentektonik Ringvorlesung WS 2003/2004 Harro Schmeling Institut für Meteorologie und Geophysik Frankfurt/M

2 Übersicht Antriebsmechanismus der Plattentektonik: thermische Konvektion Energiequellen Grundlagen der thermischen Konvektion Plattendominierte Mantelkonvektion, Analogmodell Lavasee Seismische Tomographie und das Abbild der Mantelkonvektion Konvektive Aufströme: Plumes und Hot spots, ozeanische Rücken Konvektive Abströme: Subduktion Einfluss von Phasengrenzen und die 660km-Diskontinuität: Konvektion mantelweit oder in Stockwerken? Kleinräumige sublithosphärische Konvektion Zusammenfassung

3 Antriebsmechanismus: thermische Konvektion Der Mechanismus: Erwärmung von unten oder innen Abkühlung von oben Thermische Ausdehnung -> Auftrieb Heißes Material steigt auf kühlt an Oberfläche ab sinkt als kaltes Material ab

4 Thermische Konvektion, im Experiment und in der Natur Aufsicht auf konvektierende Flüssigkeitsschicht, visualisiert durch strömende Aluminium Partikel. Aufstrom ist im Zentrum der Hexagone. (Aus The Parabolic Press. Van Dyke, M., 1982: An Album of Fluid Motion) Granulare Konvektion auf der Sonnenoberfläche, aufgenommen durch Swedisch Vacuum Solar Telescope (

5 Energiequellen Einschlagenergie bei Bildung der Erde Kompression bei Bildung der Erde Radioaktive Erwärmung 40 K, 235 U, 238 U, 232 Th Derzeitige gesamte Wärmeabgabe der Erde: W ca. 50% Anfangswärme und 50% radiogene Wärme (Vgl. Energieverbrauch der Menschen: W) Potentielle Energie bei Bildung des Erdkerns

6 Grundlagen Rayleigh-Bénard Konvektion Viskose Schicht, von unten beheizt und von oben gekühlt T = T 0 T = T 0 ρ = ρ 0 T = T 0 + T ρ z T T = T 0 + T ρ = ρ 0 (1-α T)< ρ 0 Auftrie Kleine Störung Auftrieb ρ 0 α T g Reibung η α - thermischer Expansionskoeffizien η - Viskosität κ - Temperaturleitfähigkeit Temperaturverlust durch Wärmeleitung κ Bedingung für konvektive Instabilität?

7 Bedingung für konvektive Instabilität T c = kritische Temperaturdifferenz T = T 0 T = T 0 + T ρ z T T < T c Reibung, Leitung dominiere Stabile Schichtung, keine Konvektion, Wärmetransport durch Leitung ρ z T T = T c Reibung, Leitung in Balance mit Auftrieb Indifferente Schichtung, langsame Konvektion T = T 0 + T ρ z T T > T c Auftrieb dominiert Gegenüber Reibung, Leitung Instabile Schichtung, Konvektion verstärkt sich

8 Wie groß ist DT c? quantitative Lösung der Konvektionsgleichungen Lineare Stabilitätsanalyse

9 Die Konvektionsgleichungen ρ t r r + ( ρ v) = 0 Massenerhaltung r P + x j v η x i j + v j x i r ρge3 = 0 Impulserhaltung, Kräftegleichgewicht DT Dp r r ρ c P αt = k T + φ + Dt Dt ρh Energieerhaltung ρ = ρ0(1 αt + p / K) Auftrieb Zustandsgleichung

10 Die Rayleighzahl, ein Maß für die Stärke der Konvektion: Thermischer Auftrieb Schichtdicke Ra = ρ g α T h3 η κ Zähigkeit (behindernd) Temperaturleitfähigkeit (behindernd) Beachte: Gleiche Ra bei kleinen Schichtdicken und Viskositäten (Laborbedingungen) und großen Schichtdicken und hohen Viskositäten (Erdmantel)

11 Bedingung T > T c geht über in Konvektionsgeschwindigkeit Ra < Ra c : stabile Schichtung, keine Konvektion Ra = Ra c : indifferente Schichtung, langsame Konvektion Ra > Ra c : instabile Schichtung, verstärkende Konvektion t Ra c = kritische Rayleighzahl, liegt je nach Randbedingung zwischen 657 und 2700

12 Zugehöriges Experiment: Temperatur Passive Marker Ra < Ra c Ra = Ra c Ra > Ra c (Ra = 2 Ra c )

13 Ra im Erdmantel? ρ= kg/m 3 g = 10 m/s 2 α= K -1 T = K h = 2900 km η= Pa s κ = m 2 /s Ra ρ0gα Th ηκ 3 = = , bevorzugt: Erdmantel stark überkritisch, heftige Konvektion

14 Konvektionsmuster bei verschiedenen Rayleighzahlen

15 Thermische Konvektion bei hoher Rayleighzahl Viskose Flüssigkeit Auftriebskräfte durch thermische Ausdehnung: Plumes Abtriebskräfte durch thermische Kontraktion Ra = 10 6 Abkühlung oben Anfangsstörung Erwärmung von unten

16 Zusammenfassung charakteristischer Elemente hoher Ra-Konvektion Kalte thermische Grenzschicht (entspricht Lithosphäre) Plume Slab Isothermisches (bzw.adiabatisches adiabatisches) Zelleninnere Heiße thermische Grenzschicht (entspricht D )

17 3D thermische Konvektion bei hoher Rayleighzahl Modellierung durch Gruppe Ulli Hansen, Münster

18 Thermische Konvektion bei innerer Erwärmung Erwärmung von innen durch radioaktive Quellen Abtriebskräfte durch thermische Kontraktion: Sinkende Tropfen Keine Plumes Ra H = 10 6 Abkühlung oben Erwärmung von innen Anfangsstörung

19 Plattentektonik - Mantelkonvektion Treibt Mantelkonvektion die Plattentektonik an oder umgekehrt?

20 Antriebskräfte Slab pull Gravitationsgleiten (Ridgepush( Mantle drag Mantle resistance Existieren ähnliche Kräfte in der Mantelkonvektion?

21 Antriebskräfte Slab pull Gravitationsgleiten (Ridgepush) Mantle drag Mantle resistence Mantle drag (bei rheologischen Kontrasten) Gravitationsgleiten (Druckgradient durch thermische Verdickung Negativer Auftrieb (Slab( pu Mantle resistance

22 Zwischenergebnis Plattentektonik stellt einen integralen Teil der Mantelkonvektion dar

23 Wie sehen nun die Konvektionsströmungen im Erdmantel aus? Plattentektonische Bewegungen Seismologie

24 Konvektionsmuster von oben = bewegende Platten fi Plattendominierte Mantelkonvektion Plattengeschwindigkeiten: = 10 cm/jahr

25 Plattentektonik, auf einem Lavasee Erta ale, Äthiopien Copyright: J. Alean, R. Carniel, M. Fulle.

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27 Ähnlichkeiten (+) und Unterschiede (-) zur globalen Plattentektonik

28 Spreadingzonen Tripelpunkte Zick zack Muster statt Segmentierung Asymmetrische Spreadingrate Rückenzentrierter Hotspot mit altem Krustensegment Copyright: J. Alean, R. Carniel, M. Fulle.

29 Propagierende ridges Mikroplatten dazwischen Rückensprünge Hotspots aber nahe Subduktionszone Copyright: J. Alean, R. Carniel, M. Fulle.

30 Streifenmuster Große Transformstörung Faultzones Asymmetrien des spreading Asymmeterisches Spreading yright: J. Alean, R. Carniel, M. Fulle. ://

31 Zeitliche Entwicklung, 90 facher Zeitraffer zeitliche Vaiationen der Spreadingrate (Fluktuationen) Ändeungen der Spreadingrichtung Subduktionszonenvulkanismus Große Transformstörungen mit Vulkanismus Kurzlebige Hotspots an Spreadingzonen langlebiger Hotspot asymmetrische Spreadingraten, insbesondere nach Aufbrechen einer kalten Platte

32 Plattenewegungen und Kontinentaldrift der letzten 200 Ma

33 Seismische Tomographie fi Mantelkonvektion Tomographie Seismische Geschwindigkeitsanomalien Dichte und Temperaturanomalien Auftriebskräfte im viskosen Mantel Berechnung von Strömungsfeldern

34 Seismische Tomographie Schwarze Strahlen: Laufzeit der Bebenwellen normal Rote Strahlen: Laufzeit der Bebenwellen langsamer als normal --> Mathemetisches Verfahren liefert Abbild der seismischen langsamen und schnellen Regionen im Erdinnern Stationen Stationen Seismische Seismische Quelle Quelle Heiß, und daher langsamere Ausbreitungsgeschwindigkeit für seismische Wellen

35 Ritsema Heijst, 2000 Model S20RTS is a shear velocity model of the mantle derived usingnormal splitting, surface wave dispersion, and body wave travel time data. The most recent description of this model is given in the paper: Seismic imaging of structural heterogeneity in Earth's mantle: Evidence for large-scale mantle flow Jeroen Ritsema and Hendrik-Jan van Heijst Science Progress, 83, , 2000.

36 Steinberger 2000

37 Steinberger 2000

38 Die einzelnen Kovektionselemente: Aufströme Abströme

39 Konvektive Aufströme: Plumes und Hot spots, Isostatischer Ausgleich Subduktion Spreading, rifting Hot spot Orogenes Lithosphäre Asthenosphäre Übergangszone Unterer Mantel Starting plume Mantelkonvektion Plume Äußerer Kern Nicht skaliert Innerer Kern

40 Konvektive Aufströme: Plumes und Hot spots, Isostatischer Ausgleich Subduktion Spreading, rifting Hot spot Orogenes Lithosphäre Asthenosphäre Übergangszone Unterer Mantel Starting plume Mantelkonvektion Plume Heißes Mantelmaterial steigt auf Äußerer Kern Innerer Kern Nicht skaliert

41 Numerisches Modell eines aufsteigenden Plumes Marquart, 2000

42 Hotspots: Beispiel Hawaii Plume unter driftender Platte: - Vulkankette - Zunehmendes Alter mit Entfernung von aktivem Hotspot

43 Hotspots: Beispiel Island Islandplume Plume unter Rücken: -Anomale Krustenproduktion, bib 40 km mächtig - Rücken ragt über Meeresoberfläche hinaus

44 Tomographie Modelle des Islandplumes Allen et al Icemelt, Wolfe et al., 1997

45 Numerisches Modell eines aufsteigenden Plumes mit Schmelzen (von T. Ruedas) Gezeigt ist die anomale Temperatur Hier findet das Aufschmelzen statt Schmelzproduktionsrate km Tiefe

46 Konvektive Aufströme: ozeanische Rücken Isostatischer Ausgleich Subduktion Spreading, rifting Hot spot Orogenes Lithosphäre Asthenosphäre Übergangszone Unterer Mantel Starting plume Mantelkonvektion Plume Äußerer Kern Nicht skaliert Innerer Kern

47 Konvektive Aufströme: ozeanische Rücken Isostatischer Ausgleich Subduktion Spreading, rifting Hot spot Lithosphäre Asthenosphäre Übergangszone Unterer Mantel Starting plume Mantelkonvektion (Normal) heißes Mantelmaterial steigt bis nahe Oberfläche Plume auf Orogenes Äußerer Kern Innerer Kern Nicht skaliert

48 Modellierte ozeanische Rückenstruktur 1 cm/a 1 cm/a Temperatur Stromlinien Schmelzrate Spreading durch Gravitationsgleite passives Aufströmen Dekompressionsschmelzen erzeug 6 km ozeanische Kruste

49 Isostatischer Ausgleich Subduktionszonen Subduktionsvulkanismus Back arc Spreading Spreading, rifting Hot spot Orogenes Lithosphäre Asthenosphäre Übergangszone Unterer Mantel Starting plume Mantelkonvektion Plume Äußerer Kern Nicht skaliert Innerer Kern

50 Isostatischer Ausgleich Subduktionszonen Subduktionsvulkanismus Back arc Spreading Spreading, rifting Hot spot Lithosphäre Asthenosphäre Übergangszone Unterer Mantel Starting plume Mantelkonvektion Schmelztemperatur wird durch freigesetztes Wasser herabgesetzt Plume Orogenes Äußerer Kern Innerer Kern Nicht skaliert

51 Evolution abgetauchter Slabs im Mantel? - Modellierungen - Seismologie

52 Effekt eines Viskositätssprunges in 660 km Trench rollback Slab pile up Faltenbildung (Enns, Becker, Schmeling, 2003

53 Effekt der Phasengrenzen in 410km und 660 km Aufwölbung der Ol Sp Grenze Depression der Sp Pv+Mw Grenze Olivin Normale Geotherme Slab Geotherme Spinell Perovskit + Magnesiowüstit Schubert et al., 2001 Mantle convection in the Earth and Planets

54 Effekt auf Auftrieb (Slab( pull) antreibend bremsend Schubert et al., 2001 Mantle convection in the Earth and Planets

55 Tetzlaff und Schmeling, 2000 Fukao et al., 200

56 Zwischenergebnis: Viskositätssprung und Phasengrenzen behindern Subduktion Durchdringung jedoch möglich und wahrscheinlich Bestätigt durch seismische Tomographie Ganzmantelkonvektion mit verringertem Massenfluss durch 660km

57 Ein zweiter Mode der Mantelkonvektion Isostatischer Ausgleich Sublithosphärische Konvektion Lithosphäre Übergangszone Unterer Mantel Starting plume Subduktion Spreading, rifting Mantelkonvektion Plume Hot spot Orogenes Äußerer Kern Nicht skaliert Innerer Kern

58 Kleinräumige sulithosphärische Konvektion

59 Instabilität sublithosphärischer Konvektion (Marquart, Schmeling, Braun, GJI, 1999) Wann wird eine Störung nahe der Basis der abkühlenden Lithosphäre konvektiv instabil? Thermische Diffusionszeit Instabil fi sublithosphärische Konvektion Rayleigh-Taylor Wachtumszeit

60 Numerisches Modell sublithosphärischer Konvektion (Schmeling und Marquart, PEPI, D Modell mit Non-Newtonischer Olivinrheologie Ergebnisse: Laterale Temperaturvariationen an Lithosphärenbasis von K Episodisch sinkende blobs Partiell geschmolzene Regionen Temperatur Stromlinien

61 Schwereanomalien des Süd-Ost Pazifiks aus ERS1 Daten Anomalien senkrecht zum Rücken Sie kreuzen ältere Fracture zones Wellenlänge im W größer Sublithosphärische Konvektion

62 Sublithosphärische Konvektion in kontinentalen Bereichen? Laterale T-Variationen von ±100K in der Asthenosphäre sollten sublithosphärische Konvektion hervorrufen (Goes et al., JGR 2000)

63 Zusammenfassung: Grundlagen Mantelkonvektion: Wärmequellen: 50% Anfangswärme und 50% radiogene Wärme Ra im Erdmantel stark überkritisch, heftige Konvektion Plattenkräfte: Gravitationsgleiten (Ridge push), mantle drag, slab pull,slab resistance Plattentektonik stellt einen integralen Teil der Mantelkonvektion dar Mode der Mantelkonvektion: Plattendominiert, ähnlich Lavasee Seismische Tomographie: Abbild der gegenwärtigen Temperaturverteilung im Mantel (Slabs im mittleren Mantel, Superplumes unter Afrika und Pazifik) Hieraus gegenwärtige Mantelströmungen berechenbar Plumes: unter driftenden Platten: Vulkanketten mit Altersabfolge unter Spreadingzonen: anomale Krustenproduktion Spreading ridges: Passives Aufströmen Subduktionszonen: Viskositätssprung und Phasengrenzen behindern Subduktion (Trench rollback, slab pile up, Faltenbildung) Durchdringung jedoch möglich und wahrscheinlich Bestätigt durch seismische Tomographie Ganzmantelkonvektion mit verringertem Massenfluss durch 660km Zweiter Mode der Konvektion: Sublithosphärische kleinräumige Konvektion

64 Die Konvektionsgleichungen, dimensionslos ( ) Massenerhaltung Impulserhaltung Energieerhaltung Rayleighzahl ηκ α ρ 3 0 Th g Ra = 0 ) ' ' ( ' ' = + v t r r ρ ρ 0 ' ' ' ' ' ' ' ' 3 = + + e Ra T x v x v x P i j j i j dyn r r η ' ' ' ' ' ' ' ' ' H T k Dt Dp T Dt DT + + = φ r r

65 Thermische Konvektion bei Erwärmung von unten und von innen Erwärmung von innen und von unten Abtriebskräfte durch thermische Kontraktion: Sinkende Tropfen Auftriebskräfte durch thermische Ausdehnung: Schwache Plumes Ra H = 10 6 Abkühlung oben Erwärmung von innen Anfangsstörung Erwärmung von unten