Das heiße, klebrige Zentrum der Erde und seine kalte, harte Außenhülle sind beide für die kriechende (und manchmal katastrophale) Bewegung der tektonischen Platten verantwortlich. Jetzt zeigen neue Forschungen ein faszinierendes Kräfteverhältnis - der sickernde Mantel erzeugt Superkontinente, während die Kruste sie auseinander reißt.
Um zu dieser Schlussfolgerung über den Prozess der Plattentektonik zu gelangen, erstellten die Wissenschaftler ein neues Computermodell der Erde, bei dem Kruste und Mantel als ein nahtloses System betrachtet werden. Im Laufe der Zeit wurden etwa 60% der tektonischen Bewegungen an der Oberfläche dieses virtuellen Planeten von relativ geringen Kräften angetrieben - innerhalb der ersten 100 Kilometer der Oberfläche. Die tiefe, aufgewühlte Konvektion des Mantels trieb den Rest an. Der Mantel wurde besonders wichtig, als die Kontinente zusammengeschoben wurden, um Superkontinente zu bilden, während die flachen Kräfte dominierten, als Superkontinente im Modell auseinander brachen.
Diese "virtuelle Erde" ist das erste Computermodell, das die Kruste und den Mantel als ein miteinander verbundenes, dynamisches System "betrachtet", berichteten die Forscher am 30. Oktober in der Zeitschrift Science Advances. Zuvor hatten Forscher Modelle der wärmegetriebenen Konvektion im Mantel erstellt, die den Beobachtungen des realen Mantels ziemlich gut entsprachen, aber die Kruste nicht nachahmten. Und Modelle der Plattentektonik in der Kruste konnten reale Beobachtungen der Bewegung dieser Platten vorhersagen, passten jedoch nicht gut zu Beobachtungen des Mantels. Offensichtlich fehlte etwas an der Art und Weise, wie Modelle die beiden Systeme zusammenfügten.
"Konvektionsmodelle waren gut für den Mantel, aber nicht für Platten, und Plattentektonik war gut für Platten, aber nicht für den Mantel", sagte Nicolas Coltice, Professor an der Ecole Normale Supérieure-Graduiertenschule der PSL-Universität in Paris. "Und die ganze Geschichte hinter der Entwicklung des Systems ist das Feedback zwischen den beiden."
Kruste plus Mantel
Jedes Grundschulmodell des Erdinneren zeigt eine dünne Krustenschicht auf der heißen, verformbaren Schicht des Mantels. Dieses vereinfachte Modell könnte den Eindruck erwecken, dass die Kruste einfach auf dem Mantel surft und auf diese und jene Weise durch die unerklärlichen Ströme unten bewegt wird.
Das ist aber nicht ganz richtig. Erdwissenschaftler wissen seit langem, dass Kruste und Mantel Teil desselben Systems sind. Sie sind unausweichlich miteinander verbunden. Dieses Verständnis hat die Frage aufgeworfen, ob Kräfte an der Oberfläche - wie die Subduktion eines Krustenstücks unter ein anderes - oder Kräfte tief im Mantel in erster Linie die Bewegung der Platten antreiben, aus denen die Kruste besteht. Coltice und seine Kollegen stellten fest, dass die Frage schlecht gestellt ist. Das liegt daran, dass die beiden Schichten so miteinander verflochten sind, dass sie beide einen Beitrag leisten.
In den letzten zwei Jahrzehnten, so Coltice gegenüber Live Science, haben Forscher an Computermodellen gearbeitet, die die Wechselwirkungen zwischen Kruste und Mantel realistisch darstellen könnten. In den frühen 2000er Jahren entwickelten einige Wissenschaftler Modelle für wärmegetriebene Bewegungen (Konvektion) im Mantel, die auf natürliche Weise zu etwas führten, das an der Oberfläche wie Plattentektonik aussah. Aber diese Modelle waren arbeitsintensiv und erhielten nicht viel Nacharbeit, sagte Coltice.
Coltice und seine Kollegen arbeiteten acht Jahre lang an ihrer neuen Version der Modelle. Allein das Ausführen der Simulation dauerte 9 Monate.
Ein Modell Erde bauen
Coltice und sein Team mussten zunächst eine virtuelle Erde mit realistischen Parametern erstellen: alles vom Wärmefluss über die Größe tektonischer Platten bis hin zur Zeit, die normalerweise benötigt wird, um Superkontinente zu bilden und auseinander zu fallen.
Es gibt viele Möglichkeiten, wie das Modell keine perfekte Nachahmung der Erde ist, sagte Coltice. Zum Beispiel verfolgt das Programm nicht die vorherige Gesteinsverformung, so dass sich zuvor verformte Gesteine in ihrem Modell in Zukunft nicht leichter verformen können, wie dies im wirklichen Leben der Fall sein könnte. Das Modell erzeugte jedoch immer noch einen realistisch aussehenden virtuellen Planeten mit Subduktionszonen, Kontinentalverschiebung und ozeanischen Graten und Gräben.
Die Forscher zeigten nicht nur, dass Mantelkräfte dominieren, wenn Kontinente zusammenkommen, sondern fanden auch heraus, dass heiße Magmasäulen, sogenannte Mantelwolken, nicht der Hauptgrund dafür sind, dass Kontinente auseinander brechen. Subduktionszonen, in denen ein Stück Kruste unter ein anderes gedrückt wird, sind die Treiber des Auseinanderbrechens des Kontinents, sagte Coltice. Mantelwolken kommen später ins Spiel. Bereits vorhandene aufsteigende Federn können Oberflächengesteine erreichen, die durch die in Subduktionszonen erzeugten Kräfte geschwächt wurden. Sie unterstellen sich dann in diese schwächeren Stellen, was es für den Superkontinent wahrscheinlicher macht, an dieser Stelle zu spalten.
Der nächste Schritt, sagte Coltice, besteht darin, das Modell und die reale Welt mit Beobachtungen zu verbinden. In Zukunft könne das Modell verwendet werden, um alles zu untersuchen, von großen Vulkanismusereignissen über die Bildung von Plattengrenzen bis hin zur Bewegung des Mantels in Bezug auf die Erdrotation.
