Förderprojekte

Förderbeginn 01.07.2015

Hochaufgelöste Simulationen der geologischen Entwicklung des Erdmantels

Dr. Bernhard Schuberth
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Geophysik - Department Geo- und Umweltwissenschaften

Dr. Nathan Simmons
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)
Atmospheric, Earth, and Energy Division

Computersimulationen der Konvektion im Erdmantel auf Höchstleistungsrechnern können Aufschluss über die Antriebskräfte der Plattentektonik und die Spannungsverteilung in der Lithosphäre geben. Ausschlaggebend ist hierbei die Möglichkeit, Simulationen rückwärts in der Zeit laufen zu lassen, wofür Kenntnisse über die Struktur des Erdmantels zum heutigen Zeitpunkt (aus geologischer Sicht) notwendig sind. Diese können durch sogennante seismische Tomographie gewonnen werden, einer Technik ähnlich der medizinischen Röntgen-Computertomographie. Die Kollaboration der LMU München mit dem LLNL ermöglicht fundierte geodynamische Interpretationen des neusten hochaufgelösten Tomographiemodells der LLNL Gruppe auf der einen, und gleichzeitig ein Integrieren dieses Modells in die Computersimulationen der LMU Gruppe auf der anderen Seite. Ergebnis dieser Bemühungen werden verschiedenste rückwärts in der Zeit laufende Szenarien des Mantelflusses sein, die durch geologischen Beobachtung verifiziert werden können. Übergeordnetes Ziel unserer Forschung ist es, die Auftriebskräfte zu bestimmen und bessere Kentnisse über das rheologische Verhalten des Erdmantels zu gewinnen.

Abschlussbericht
Computersimulationen der Konvektion im Erdmantel im Bereich des Höchstleistungsrechnens können Aufschluss über die Antriebskräfte der Plattentektonik und die Spannungsverteilung in der Lithosphäre geben. Ausschlaggebend ist hierbei die Möglichkeit, Simulationen rückwärts in der Zeit laufen zu lassen (sog. adjungierte Simulationen), wofür Kenntnisse über die Struktur des Erdmantels zum heutigen geologischen Zeitpunkt notwendig sind. Diese können durch sogennante seismische Tomographie gewonnen werden, einer Technik ähnlich der medizinischen Röntgen- Computertomographie. Das Hauptziel der Zusammenarbeit zwischen der LMU München und dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) war, eine geeignete Vorgehensweise zu entwickeln, um das tomographische Modell der LLNL Partner in den Modellierungsansatz der LMU Geodynamikgruppe für die adjungierten Simulationen zu integrieren. Die enge Kooperation zwischen beiden Partner hat zu einem tieferen Verständnis der internen Struktur und Dynamik der Erde beigetragen. Insbesondere wurde die Frage untersucht, wie tomographisch erzeugte Bilder der seismischen Strukturen im tiefen Erdmantel in Bezug auf dessen thermischen Zustand interpretiert werden sollten. Von den durch seismische Tomographie bestimmbaren Parametern ist die Gesteinsdichte am direktesten mit der Temperatur verknüpft. Die Dichte-Bestimmungen tragen aber dabei große Unsicherheiten und sind somit für die praktische Anwendung in unserem Projekt nicht brauchbar. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Wellen dagegen ist besser bestimmbar und kann mithilfe mineralogischer Modelle in Temperaturen umgerechnet werden.

Im Zuge des BaCaTeC Projektes haben wir herausgefunden, dass die seismisch abgebildeten Strukturen nicht vollständig konsistent mit der erwarteten Mantelmineralogie sind, was an den jeweils zugrunde liegenden Unsicherheiten in den beiden Ansätzen liegt. Auf diese Inkonsistenzen muss bei der Bestimmung des thermischen Zustands der Erde aus den tomographischen Modellen besonders geachtet werden, um nicht-physikalische Artefakte zu vermeiden. Im Laufe des Projektes haben wir damit angefangen, spezielle Strategien zu entwickeln, um in Zukunft mit solchen nichtphysikalischen Artefakten umgehen zu können und somit realistische Temperaturverteilungen ausgehend vom Modell der LLNL Gruppe zu erhalten. Das bisher aus dieser Entwicklung resultierende Modell des heutigen geologischen thermischen Zustands des Erdmantels wurde von den LMU Partnern als Grundlage für eine Reihe von adjungierten Simulationen verwendet, die die bislang ersten geodynamischen Retrodiktionen – also „Vorhersagen“ zurück in die für die Menschheit nicht erschließbare Vergangenheit – für die letzten 40 Millionen Jahre der Mantelkonvektion darstellen. Durch die Entwicklung geeigneter ineinandergreifender Arbeitsschritte zur Verknüpfung tomographischer Modelle mit geodynamischen Simulationen haben wir nun eine aussagekräftige Methode um unser theoretisches Verständnis über die Dynamik des Erdinneren mit geologischen und geophysikalischen Beobachtungen abgleichen zu können.

Aus der Zusammenarbeit entstandene Publikationen:

Colli, L, Ghelichkhan, S., Chust, T., Steinle-Neumann G., Simmons N. and B.S.A. Schuberth, “Estimating the buoyancy field for Earth's lower mantle using seismic and mineralogical models”,Geophysical Research Abstracts, Vol. 18, EGU2016-16374, 2016.

Ghelichkhan, S., Colli, L., Chust, T., Schuberth, B.S.A. and N. Simmon, (2015), “Estimating the Buoyancy Field for Earth's Mantle Using Seismic and Mineralogical Models”, Abstract DI51A- 2618 presented at 2015 Fall Meeting, AGU, San Francisco, Calif., 14-18 Dec.

Ghelichkhan, S., M. Murböck, L. Colli, R. Pail, and H.-P. Bunge, On the observability of epeirogenic movement in current and future gravity missions, Gondwana Research (in press).

Colli, L., S. Ghelichkhan, H.-P. Bunge, and J. Oeser, Retrodictions of Mid-Paleogene mantle flow and dynamic topography in the Atlantic region from compressible high resolution adjoint mantle convection models: sensitivity to deep mantle viscosity and tomographic input model, Gondwana Research (in press).