Plattentektonik und Mantelkonvektion sind entscheidend f眉r Leben auf der Erde. Sie beeinflussen das Erdklima durch den tiefen Kohlenstoffkreislauf und beeinflussen Meeresspiegelver盲nderungen. Viele der zerst枚rerischsten Naturkatastrophen der Erde 鈥� Erdbeben, Vulkanausbr眉che und Tsunamis 鈥� stehen im Zusammenhang mit Plattengrenzen. Trotz dieser immensen Bedeutung bleiben wesentliche Fragen zur Funktionsweise des gekoppelten Systems von Plattentektonik und Mantelkonvektion ungel枚st. Wie gro脽 sind die Kr盲fte, die die Plattentektonik antreiben und bremsen? Wie 眉berwinden neue Subduktionszonen die Festigkeit der Platten? Was steuert die Lokalisierung der Deformation entlang von Plattengrenzen? Und wie beeinflussen Ver盲nderungen der Plattenbewegungen und der Mantelkonvektion das Magnetfeld der Erde?
Das Ziel der Forschungsgruppe 鈥濩omputergest眉tzte Geodynamik鈥� ist es, die Dynamik der tektonischen Platten und des darunter liegenden konvektiven Mantels zu verstehen, mit einem Schwerpunkt auf ozeanischen Platten und deren Entstehung, Entwicklung und Recycling im Erdinneren. Zu diesem Zweck entwickeln wir mathematische und computergest眉tzte Prozessmodelle, die uns helfen sollen, zu verstehen, wie diese Prozesse die Entwicklung der Erdoberfl盲che gepr盲gt haben. Wir verwenden Hochleistungsrechner und moderne Forschungssoftware, um diese Modelle zu implementieren, 眉berpr眉fbare Vorhersagen zu erstellen und diese mit Beobachtungen zu vergleichen.
Skalen眉bergreifende Integration physikalischer Prozesse
Ein wichtiger Ansatz zur Entschl眉sselung der Mechanismen des Platten-/Mantelsystems und seiner Wechselwirkung mit der Erdoberfl盲che besteht darin, die plattentektonische Skala mit der Mikroskala zu verbinden. Dies liegt daran, dass Mechanismen auf der L盲ngenskala der Mineralk枚rner, die Gesteine bilden, bestimmen, wie Gesteine im regionalen und globalen Ma脽stab verformt werden. Daher ist eines der Ziele der Forschungsgruppe 鈥濩omputergest眉tzte Geodynamik鈥� die Integration dieser Mikroskala-Modelle der Verformung von Mineralen in Simulationen der Mantelkonvektion und Lithosph盲rendeformation. Beispiele hierf眉r sind die Bedeutung der Korngr枚脽enevolution f眉r globale Konvektionsmuster und die Rolle der Verkleinerung von Mineralk枚rnern f眉r den Kollaps von passiven Kontinental-R盲ndern und der Entstehung von Subduktionszonen.
Das Bild zeigt, wie die Korngr枚脽e der Minerale die Viskosit盲t in und um subduzierte Platten in einem globalen Konvektionsmodell beeinflusst. Viskosit盲ts盲nderungen durch Korngr枚脽envariationen sind vergleichbar mit denen, die durch Temperatur verursacht werden.
Magmaentstehung und -dynamik
Wir interessieren uns daf眉r, wo Magma in der Erde entsteht, wie es an die Oberfl盲che gelangt und welche Rolle es bei Vulkanausbr眉chen spielt. Zu diesem Zweck entwickeln wir numerische Methoden, die es uns erm枚glichen, den por枚sen Fluss von Magma durch ein sich verformendes Festgestein mit der Modellierungssoftware zu simulieren. Wir haben diese Methode in Computer-simulationen von mittelozeanischen R眉cken sowie der Magmabildung und des -transports an der Kern-Mantel-Grenze angewendet.
Das Bild zeigt ein Modell eines mittelozeanischen R眉ckens, wobei die rot-gelb-wei脽en Stromlinien die Magmabewegung veranschaulichen.
Mantelplumes und ihre Wechselwirkung mit tektonischen Platten
Es wird angenommen, dass die gr枚脽ten magmatischen Ereignisse der Erde durch massives Schmelzen entstehen, wenn hei脽e Mantelplumes, die vom unteren Mantel aufsteigen, die Oberfl盲che erreichen. Die damit verbundenen Vulkanausbr眉che werden mit Umweltkatastrophen und Massenaussterbe-Ereignissen in Verbindung gebracht. Nach diesem ersten Impuls magmatischer Aktivit盲t k枚nnen Plume-Aufstiegszonen f眉r Hunderte von Millionen Jahren stabil im Mantel verbleiben und Hotspot-Vulkanismus erzeugen. Wir interessieren uns f眉r den Effekt der chemischen Heterogenit盲t des Erdmantels auf die Plume-Dynamik, das Zusammenspiel zwischen subduzierten ozeanischen Platten, chemischen Reservoirs im tiefen Mantel und aufsteigenden Plumes sowie daf眉r, wie diese Prozesse den an der Erdoberfl盲che beobachteten Hotspot-Vulkanismus beeinflussen.
Das Bild zeigt ein Modell eines Mantelplumes, berechnet mit dem -Code.
Kopplung von Geodynamik und Thermodynamik
Geodynamische Modelle k枚nnen uns zeigen, wie sich Erdmaterialien verformen und wie Kr盲fte im Erdinneren die Entwicklung der Erde pr盲gen werden. Um dies zu erm枚glichen, ben枚tigen sie die thermodynamischen Eigenschaften von Gesteinen 鈥� die beschreiben, wie dicht sie sind, wie Gesteine sich bei Temperatur- oder Druck盲nderungen ausdehnen oder zusammenziehen und welche Minerale f眉r eine gegebene Zusammensetzung, Temperatur und Druck stabil sind. Die Einbeziehung dieser thermodynamischen Modelle in geodynamische Simulationen ist komplex und stellt eine Reihe von Herausforderungen dar. Die Entwicklung neuer Methoden zur Bew盲ltigung dieser Herausforderung ist eines der Ziele der Forschungsgruppe 鈥濩omputergest眉tzte Geodynamik鈥�. Beispiele hierf眉r sind neue Approximationen zur Modellierung der Kompressibilit盲t und die Verwendung von Entropie anstelle von Temperatur, um Mineralphasenumwandlungen genauer zu modellieren.
Das Bild zeigt verschiedene Konvektionsmodelle mit dem gleichen Modellaufbau, einschlie脽lich einer Phasenumwandlung mit einem negativen Clapeyron-Slope in mittlerer Tiefe. Die Breite der Phasenumwandlung nimmt von links nach rechts ab, was zu einem Wechsel im Konvektionsregime f眉hrt.
Globale plattentektonische Modelle
Das gekoppelte System der Plattentektonik und Mantelkonvektion ist entscheidend f眉r das Leben auf der Erde, da es den Kreislauf von Elementen wie Kohlenstoff durch das Erdinnere steuert und eine Energiequelle f眉r den Geodynamo ist, der das Magnetfeld der Erde generiert. Die Plattenbewegungen zu verstehen ist jedoch eine Herausforderung aufgrund der Wechselwirkung von globaler Mantelstr枚mung und lokalen Prozessen an den Plattengrenzen. Die Forschungsgruppe 鈥濩omputergest眉tzte Geodynamik鈥� untersucht globale Plattenbewegungen und die Festigkeit von Plattengrenzen, indem sie moderne Datens盲tze in globale Deformationsmodelle integriert. Au脽erdem erforschen wir, wie Plattenbewegungen und globale Konvektion Variationen im Magnetfeld beeinflussen, indem wir die Ergebnisse unserer Simulationen mit Geodynamo-Modellen verkn眉pfen.
Das Bild zeigt ein globales Mantelkonvektionsmodell, berechnet mit dem -Code.
Prof. Juliane Dannberg (Gruppenleiterin)
Dr. Rene Gassm枚ller (Wissenschaftlicher Mitarbeiter)
Ranpeng Li (Doktorandin)
Sandra Spahl (Teamassistenz)
Um die Dynamik des Erdinneren untersuchen zu k枚nnen, entwickeln wir die freie Community-Software (Advanced Solver for Planetary Evolution, Convection, and Tectonics). verwendet moderne numerische Methoden um Forschungsprojekte zur Modellierung der Dynamik des Erdmantels und der Erdkruste sowie der Dynamik anderer planetarer K枚rper zu unterst眉tzen. Unser Ziel mit ist es, den Geowissenschaften eine gut dokumentierte und erweiterbare Code-Basis zu liefern. Die Flexibilit盲t von erm枚glicht die Anwendung in Studien zur globalen und regionalen Mantelkonvektion, Plume- und Subduktionsdynamik, Lithosph盲ren- und Krustendynamik, Riftbildung, Ressourcengenerierung, der Dynamik des inneren Kerns sowie zur Verformung von Mars, Venus, dem Mond und eisigen Monden. Moderne Softwareentwicklungs-Strategien machen gleicherma脽en effizient in 2D und 3D, und der L枚ser skaliert auf mehr als 110.000 Kerne auf Frontera, dem gr枚脽ten HPC-System der US National Science Foundation Cyberinfrastruktur.
2024 鈥濪er Lebenszyklus ozeanischer Platten: Von der Korngr枚脽e bis zur globalen Skala鈥�
(F枚rderung der Erstberufung exzellenter Wissenschaftlerinnen durch die Helmholtz-Gemeinschaft, Juliane Dannberg)
