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Erfolgreiche Computersimulation der Plattentektonik

Erstmals ist es gelungen, die entscheidenden Merkmale der Erddynamik ohne künstliche Randbedingungen in einem numerischen Modell zu reproduzieren.


Erdbeben und Vulkanausbrüche führen uns immer wieder vor, daß wir auf einem unruhigen Planeten leben. Die nur etwa 100 Kilometer dicke Gesteinsschale der Erde (die Lithosphäre) ist in Platten zersplittert, die sich pro Jahr um einige Zentimeter gegeneinander verschieben. Der Motor dieser Plattenbewegung liegt im Erdmantel, jener mächtigen Gesteinsschicht unterhalb der Lithosphäre, die 2900 Kilometer – fast die halbe Strecke zum Erdmittelpunkt – hinab bis zum metallenen Kern reicht.

Im Mantel wandeln Konvektionsströmungen die im Erdinnern gespeicherte Wärmeenergie in mechanische Arbeit um. Dabei steigt heißes Gesteinsmaterial auf, gelangt an langgezogenen ozeanischen Rückensystemen an die Erdoberfläche und erstarrt dort zu neuer Lithosphäre. Von den "Spreizungszonen" der ozeanischen Rücken driften die Platten seitlich weg, kühlen dabei aus und sinken schließlich, wenn sie durch Erkalten hinreichend dicht geworden sind, an sogenannten Subduktionszonen wieder in den Erdmantel ein. So entsteht ein Kreislauf, in dem unablässig neues Plattenmaterial gebildet und altes vernichtet wird.

Die Mantelkonvektion ist letztlich Antrieb aller geotektonischen Phänomene – von kleinräumigen Vorgängen wie Erdbeben und Vulkanausbrüchen bis hin zu globalen Erscheinungen wie der Auffaltung von Gebirgszügen oder der Öffnung von Meeresbecken. Außerdem hat sie entscheidende Bedeutung für die thermische und chemische Entwicklung unseres Heimatplaneten.

Dieses dynamische Bild der Erde ist relativ neu. Es wurde erst entworfen, als man erkannte, daß sich das Gestein des Mantels über geologische Zeiträume wie eine zähe Flüssigkeit verhält. Es ist aber nicht im herkömmlichen Sinne geschmolzen, sondern reagiert auf kurzzeitige Beanspruchungen sehr wohl wie ein elastischer Festkörper. Es ähnelt damit in gewisser Weise einer Wachskerze: Belastet man sie abrupt, indem man sie etwa gegen eine Tischkante schlägt, so vibriert sie oder bricht; legt man sie dagegen einfach über die Tischkante, biegt sie sich infolge der Schwerkraft langsam nach unten.

Obgleich Konvektionsströmungen zu den wichtigsten Transportmechanismen nicht nur im Erdinnern, sondern auch in den Ozeanen und in der Atmosphäre gehören, versteht man sie bis heute nur ansatzweise. Mathematisch werden sie durch nichtlineare Gleichungen beschrieben, die im allgemeinen nicht analytisch lösbar sind. Die Untersuchung der Mantelkonvektion gestaltet sich dabei besonders schwierig. Zum einen ist das Innere der Erde für direkte Messungen nicht zugänglich; zum anderen können die immensen räumlichen und zeitlichen Dimensionen im Labor nicht naturgetreu reproduziert werden.

Aus diesem Grunde bilden leistungsfähige Computer und numerische Verfahren heute das wichtigste Instrumentarium zur Erforschung der Manteldynamik. Der Aufwand, der zur rechnerischen Erfassung der Konvektionsvorgänge in der Tiefe getrieben werden muß, ist erheblich und mit dem von meteorologischen Modellen zur Wettervorhersage und von Simulationen der Klimaentwicklung vergleichbar.


Modellentwicklung



Vor etwa 25 Jahren erschienen die ersten Modelle zur Mantelkonvektion. Viele Erkenntnisse über die Dynamik der Erde konnten seither gesammelt und viele Fragestellungen präzisiert werden. So zeigte sich, daß die Mantelströmung zeitlich variiert und wesentlich von der Rheologie des Gesteins – also von seinem Fließverhalten in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Spannung – geprägt ist. In neuerer Zeit wird diese Abhängigkeit auch mit Hilfe von Hochdruckexperimenten an leistungsfähigen Pressen im Labor intensiv erforscht (siehe "Mit Hochdruck ins Innere der Erde", Spektrum der Wissenschaft, Januar 1999, S. 24).

Dennoch sind wichtige Fragen bis heute offen geblieben. Dazu gehört insbesondere die Ankopplung der Platten an das Konvektionssystem im Mantel. Bisher vermoch-te kein Modell plattentektonisches Verhalten selbstkonsistent zu produzieren: Die Konvektionsströmung brachte einfach keine Platten hervor, die sich starr und fast ohne Deformation an der Oberfläche bewegen; statt dessen verhielt sich die Oberfläche auch wie eine Flüssigkeit. Um plattenartiges Verhalten zu erreichen, mußte man künstliche Randbedingungen vorgeben – ein unbefriedigender Notbehelf, der auch hinter die Aussagekraft der Ergebnisse ein Fragezeichen setzt.

Meinem Kollegen Ron Trompert von der Universität Utrecht (Niederlande) und mir ist nun in dieser Hinsicht ein deutlicher Fortschritt gelungen. Wir entwickelten ein Computermodell der Mantelkonvektion, das erstmals alle wesentlichen Phänomene der Plattentektonik zwanglos reproduziert. Insbesondere entwickeln sich heiße Aufströme und kalte Subduktionszonen, zwischen denen sich das Oberflächenmaterial wie eine starre Platte bewegt (siehe Kasten auf den Seiten 12 und 13). Dabei müssen keinerlei spezielle Annahmen – etwa über existierende Schwächezonen oder bereits bestehen-de Plattengrenzen – gemacht werden. Vielmehr ergibt sich die Plattendrift automatisch, mit der Konvektionsströmung in der Tiefe als treibender Kraft.

Der Schlüssel für diesen Erfolg liegt in der Rheologie, die wir unserem Modell zugrundelegten. Laboruntersuchungen haben ergeben, daß die Zähigkeit des Mantelgesteins stark von der Temperatur abhängt. Dies ist ein charakteristisches Merkmal von Konvektionsströmungen im Inneren der Erde und anderer Planeten; in diesem Punkt unterscheiden sie sich deutlich von wärmegetriebenen Zirkulationsbewegungen in Wasser und Luft. In unserem Modell nehmen wir einen Viskositätskontrast von 105 an: Das kälteste Material ist also hunderttausendmal zäher als das heißeste.

Die Simulation derart extremer Verhältnisse stellt hohe Ansprüche an die Computer sowie besonders auch an die numerische Methodik. Darum sind erst in den letzten Jahren Untersuchungen in diesem Parameterbereich möglich geworden. Unsere Arbeiten und die von Kollegen haben gezeigt, daß sich unter diesen Umständen an der Oberfläche des Modellplaneten eine kalte, feste "Kruste" bildet. Darunter sorgt eine heftige Konvektionsströmung für einen gut durchmischten einheitlichen Mantel mit fast konstanter Temperatur.

Allerdings erzeugt auch dieses verbesserte Modell nur eine zusammenhängende unbewegliche Lithosphäre statt der Vielzahl von Platten, in die die feste Erdschale zersplittert ist. Den Grund für diese Divergenz zeigen die Ergebnisse der Laborexperimente: Danach hängt die Zähigkeit eben nicht allein von der Temperatur ab, sondern auch von Druck, Spannung und weiteren Faktoren.

Dem trägt unser neuestes Modell nun in gewissem Umfang Rechnung. Darin haben wir berücksichtigt, daß die Zähigkeit auch von der Dehnungsrate beeinflußt wird; insbesondere gibt es eine bestimmte Schwellenspannung, ab der das feste Material selbst bei tiefen Temperaturen zu fließen beginnt.

Mit diesem Modell lassen sich nun erstmals die meisten wesentlichen Eigenschaften der Plattentektonik am Computer nachvollziehen. Wie die Momentbilder einer Simulation zeigen, bilden sich sowohl ein heißer Aufstrom (ozeanischer Rücken) als auch mehrere kalte Abströme (Subduktionszonen). Ausgehend vom Aufstrombereich, bewegt sich eine starre äußere Schicht auf die Subduktionszonen zu. Dabei erreichen die Plattengeschwindigkeiten mit durchschnittlich vier Zentimetern pro Jahr Werte, wie sie auch auf der Erdoberfläche gemessen wurden.

Ein weiteres Phänomen, das man von der realen Plattentektonik kennt, ist die Migration der Subduktionszonen: Sie werden von den abtauchenden Platten langsam horizontal verschoben. Dasselbe passiert im Modell mit den Abstrombereichen; sie driften mit einer Geschwindigkeit von sieben Zentimetern pro Jahr – ein Wert, der ebenfalls im Bereich der Beobachtungen auf der Erde liegt.

Außerdem verläuft die Subduktion im Modell nicht überall gleich schnell; vielmehr bewegen sich die Platten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vom Rücken zum Grabensystem hin – wiederum in Übereinstimmung mit der Wirklichkeit, wo die Spreizungsrate im Atlantik etwa deutlich geringer ist als im Ostpazifik. In einzelnen Bereichen kommt die Subduktion nach einer gewissen Zeit zum Erliegen, während sie in anderen noch fortdauert. Schließlich aber stoppt sie völlig, und der Modellplanet hat für einige Zeit wieder ei-ne zusammenhängende feste Oberfläche, die sich nicht mehr bewegt.

In unserem Modell kommt es also zu einem Wechsel zwischen Perioden tektonischer Ruhe, in denen die Lithosphäre unbeweglich an der Oberfläche verharrt, und Aktivitätsphasen, in denen sie in driftende Blöcke aufgespalten ist. An den Subduktionszonen werden die Platten manchmal komplett in den Mantel hinabgezogen: An ihrer Stelle entsteht eine neue, zunächst noch plastische Haut des Planeten, die sich durch Abkühlung allmählich verfestigt. Nach einiger Zeit entwickeln sich schließlich wiederum Auf- und Abströme, und der Zyklus beginnt von vorn.

Dieses episodische Verhalten entspricht allerdings nicht dem derzeit beobachteten Stil der irdischen Tektonik. Insofern weicht auch unser jüngstes Modell noch von den realen Verhältnissen auf der Erde ab. Anders verhält es sich dagegen bei der Venus: Hier wird sehr wohl ein episodischer Verlauf der tektonischen Aktivität diskutiert. Vielleicht eignet sich das Modell also zur Interpretation der geologischen Vorgänge auf unserem Nachbarplaneten. Dieser faszinierenden Frage wollen wir in weiteren Untersuchungen nachgehen.

Interessanterweise manifestiert sich das episodische Verhalten auch darin, wie wirksam die Konvektionsbewegung Wärme zu transportieren vermag. In Phasen der aktiven Plattenbewegungen steigt der Wärmetransport an, während er in Ruheperioden auf einen wesentlich geringeren Wert fällt (Bild auf S. 14). Dies legt den Schluß nahe, daß der Stil der Plattentektonik einen wesentlichen Einfluß auf die thermische Struktur der Erde hatte und noch hat. Insbesondere sorgt er offenbar für einen durchgehend hohen Wärme-Abstrom aus dem Erdinneren.

Sicherlich ist unser Modell immer noch zu einfach. Deshalb kann man kaum erwarten, daß sich damit alle Aspekte der Plattentektonik bis ins einzelne erklären lassen. So berücksichtigt das Modell nicht explizit, daß beim Zerfall radioaktiver Substanzen im Erdinneren zusätzliche Wärme frei wird. Vor allem aber ignoriert es die Kontinente als dauerhafte Bestandteile der Lithosphäre, die nicht subduziert werden. Dennoch zeigen unsere Berechnungen erstmals anschaulich, daß die Mantelkonvektion, wenn man nur geeignete Annahmen über die Rheologie macht, in Plattentektonik umgesetzt werden kann. Wir betrachten dies als einen wichtigen Schritt hin zu einem vereinheitlichten Bild der Dynamik unseres Planeten.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 1999, Seite 12
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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