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Numerische Modellierung von Deformationen in der Lithosphäre auf der Längenskala der Erdkruste in geologischen Zeiträumen

John von Neumann Exzellenzprojekt 2014;
Prof. Dr. Boris Kaus, Institut für Geowissenschaften, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz

Geologische Prozesse der Plattentektonik wie die Kontinentalkollision finden über einen Zeitraum von Millionen von Jahren statt.
Die Deformationsprozesse, die dabei auftreten, zeigen sich oberflächlich in Gebirgen, wie zum Beispiel den Alpen. Zusätzlich gibt es geophysikalische Methoden, wie die seismische Tomographie, mit deren Hilfe Informationen über die Tiefenstruktur erlangt werden können. Zusammenfassend bekommt man ein geologisch interpretierbares Abbild der heutigen Struktur an der Oberfläche und im Untergrund. Darüber, wie die Prozesse zur Entstehung physikalisch konsistent abgelaufen sind, kann jedoch nur spekuliert werden. Wir benutzen Computersimulationen, um solche Prozesse nachzubilden und gleichzeitig das komplexe und oft nichtlineare Materialverhalten von Gesteinen zu berücksichtigen. Dazu haben wir ein parallelisiertes Softwarepaket zur 3D-Simulation von Deformationsprozessen entwickelt (LaMEM, Lithosphere and Mantle Evolution Model).

Innerhalb dieses Projektes werden mithilfe der Simulationen verschiedene geowissenschaftliche Fragestellungen beantwortet. In einem ersten Teilprojekt befassen wir uns mit der Kollision von Indien mit Asien, welche die Bildung des Himalaya und des Tibetischen Plateaus verursacht. Insbesondere die Frage, wieso und unter welchen physikalischen Bedingungen ein solches Plateau entsteht, ist weitgehend unbekannt. Systematische Simulationen helfen dabei die physikalischen Bedingungen besser zu verstehen und Gesetzmäßigkeiten herzuleiten (Abbildung 1). Dies erlaubt uns wiederum, die Bedingungen, die zur Plateaubildung führen, vorauszusagen.

Numerisches Model einer Kontinental-Kollision mit AsienAbbildung 1: Numerisches Model einer Kontinental-Kollision mit Asien

In einem weiteren Teilprojekt beschäftigen wir uns mit den europäischen Alpen. Verschiedene geophysikalische Studien treffen hier zum Teil widersprüchliche Aussagen. Auf der einen Seite gibt es Interpretationen, dass die europäische unter die afrikanische (oder adriatische) Platte in der Westalpen-Region abtaucht, während im Bereich der Ostalpen die adriatische Platte unter Europa abtaucht. Andere Studien sagen jedoch voraus, dass die Platten nahezu vertikal unter den Alpen orientiert sind. Mithilfe von Computersimulationen der diskutierten Konfigurationen untersuchen wir, wie sich Geometrie und Materialeigenschaften der Platten auf die Fließbewegungen im Mantel unterhalb der Alpen auswirken, und versuchen, Rückschlüsse auf die Plausibilität der Modelle zu ziehen (Abbildung 2).

Drei-dimensionale Simulation möglicher Fließbewegungen im Erdmantel unterhalb der Alpen.Abbildung 2: Drei-dimensionale Simulation möglicher Fließbewegungen im Erdmantel unterhalb der Alpen.

Ein weiteres Projekt ist der Entstehung von Salzstöcken – wie sie zum Beispiel in Norddeutschland vorkommen – gewidmet. Mit 3D-Simulationen können wir zeigen, dass Sedimentierungsprozessen bei der Bildung der dreidimensionalen Salzstöcke eine wichtige Rolle zukommt. In diesem Zusammenhang haben wir mit ähnlichen Simulationen auch die Auswirkung von Erosion auf Gebirgsbildungsprozesse studiert (Abbildung 3). Entsprechende Software zur Simulation von Erosionsprozessen wurde in unser Softwarepaket integriert.

Auswirkung von Erosion auf tektonische Prozesse, hier auf die Faltung von Sedimentlagen.Abbildung 3: Auswirkung von Erosion auf tektonische Prozesse, hier auf die Faltung von Sedimentlagen.

Nicht zuletzt arbeiten wir an neuen Methoden, um Vorwärtssimulationen von Gebirgsbildungsprozessen direkt mit geophysikalischen Datensätzen zu koppeln.
Mithilfe von Monte Carlo basierten Inversionsansätzen, die auf hochparallele Architekturen ausgelegt sind, können wir weitgehend unbekannte Materialeigenschaften der Lithosphäre und des oberen Mantels zu bestimmen.


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