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Konvektion und Plattentektonik Harro Schmeling Institut für Meteorologie und Geophysik Frankfurt/M Ringvorlesung WS 2003/2004

Konvektion und Plattentektonik - Goethe-Universitätuser.uni-frankfurt.de/~schmelin/presentations/konvektion-plattente... · Konvektion und Plattentektonik Harro Schmeling Institut

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Konvektion und Plattentektonik

Harro SchmelingInstitut für Meteorologie und GeophysikFrankfurt/M

Ringvorlesung WS 2003/2004

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Übersicht

• Antriebsmechanismus der Plattentektonik: thermische Konvektion

• Energiequellen• Grundlagen der thermischen Konvektion • Plattendominierte Mantelkonvektion, Analogmodell Lavasee• Seismische Tomographie und das Abbild der

Mantelkonvektion• Konvektive Aufströme: Plumes und Hot spots, ozeanische

Rücken• Konvektive Abströme: Subduktion • Einfluss von Phasengrenzen und die 660km-Diskontinuität:

Konvektion mantelweit oder in Stockwerken? • Kleinräumige sublithosphärische Konvektion• Zusammenfassung

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Antriebsmechanismus: thermische Konvektion

Der Mechanismus:

• Erwärmung von unten oder innen• Abkühlung von oben• Thermische Ausdehnung -> Auftrieb• Heißes Material steigt auf• kühlt an Oberfläche ab• sinkt als kaltes Material ab

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Thermische Konvektion, im Experiment und in der Natur

Aufsicht auf konvektierende Flüssigkeitsschicht, visualisiert durch strömende Aluminium Partikel. Aufstrom ist im Zentrum der Hexagone.(Aus The Parabolic Press. Van Dyke, M., 1982: An Album of Fluid Motion)

Granulare Konvektion auf der Sonnenoberfläche, aufgenommen durch Swedisch Vacuum Solar Telescope(http://www.chabotspace.org/vsc/exhibits/planetlands/convectioncells/)

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Energiequellen

Einschlagenergie beiBildung der Erde

Kompression beiBildung der Erde

Radioaktive Erwärmung40K, 235U, 238U, 232Th

Potentielle Energie bei Bildung des Erdkerns

Derzeitige gesamte Wärmeabgabe der Erde: 4.2⋅1013 Wca. 50% Anfangswärme und 50% radiogene Wärme(Vgl. Energieverbrauch der Menschen: 1.3 ⋅1013 W)

Aus : Press und Siever: Understanding Earth

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T = T0

Grundlagen Rayleigh-Bénard Konvektion

Viskose Schicht, von unten beheizt und von oben gekühlt

z

T = T0ρ = ρ0

T = T0+ ∆Tρ = ρ0(1-α ∆T)< ρ0 AuftriebT = T0+ ∆T

α - thermischer Expansionskoeffizient

Auftrieb ∼ ρ0α ∆T g

Kleine Störung

Reibung ∼ η

η - Viskosität

Temperaturverlust durch Wärmeleitung ∼ κ

κ - Temperaturleitfähigkeit

⇒ Bedingung für konvektive Instabilität?

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T = T0

z

Bedingung für konvektive InstabilitätÆ∆Tc = kritische Temperaturdifferenz

∆T < ∆TcÆ Reibung, Leitung dominierenStabile Schichtung, keine Konvektion, Wärmetransport durch Leitung

z

∆T = ∆TcÆ Reibung, Leitung in Balance mit Auftrieb

Indifferente Schichtung, langsame Konvektion

T = T0+ ∆T

T = T0+ ∆T z

∆T > ∆TcÆ Auftrieb dominiert Gegenüber Reibung, Leitung

Instabile Schichtung, Konvektion verstärkt sich

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Wie groß ist ∆Tc ?

_quantitative Lösung der Konvektionsgleichungen

Lineare Stabilitätsanalyse

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Die Konvektionsgleichungen

Massenerhaltung

Impulserhaltung, Kräftegleichgewicht

Energieerhaltung

Zustandsgleichung)/1(0 KpT +−= αρρ

0)( =∇+∂∂

vt

rrρ

ρ

03 =−

∂∂

+∂∂

∂∂

+∇− egx

v

xv

xP

i

j

j

i

j

rrρη

HTkDtDp

TDtDT

cP ρφαρ ++∇∇=−rr

Auftrieb

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Die Rayleighzahl, ein Maß für die Stärke der Konvektion:

Ra =ρ g α ∆T h3

η κ

SchichtdickeThermischer Auftrieb

Zähigkeit (behindernd)

Temperatur-leitfähigkeit(behindernd)

Beachte:Beachte:Gleiche Ra bei kleinen Gleiche Ra bei kleinen Schichtdicken und Viskositäten Schichtdicken und Viskositäten (Laborbedingungen) und großen (Laborbedingungen) und großen Schichtdicken und hohen Schichtdicken und hohen Viskositäten (Erdmantel)Viskositäten (Erdmantel)

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Bedingung ∆T > ∆Tc geht über in

Ra < Rac: stabile Schichtung, keine Konvektion

Ra = Rac: indifferente Schichtung, langsame Konvektion

Ra > Rac: instabile Schichtung, verstärkende Konvektion

Rac = kritische Rayleighzahl, liegt je nach Randbedingung zwischen 657 und 2700

t

Konvektions-geschwindigkeit

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Zugehöriges Experiment:

Ra < Rac

Temperatur Passive Marker

Ra = Rac

Ra > Rac(Ra = 2 Rac)

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Ra im Erdmantel?

ρ= 3300 - 5500 kg/m3

g = 10 m/s2

α= 2.4 – 1.2⋅10-5 K-1

∆T = 2500 – 4000 Kh = 2900 kmη= 1021 – 1023 Pa sκ = 10-6 - 3⋅10-6 m2/s

ηκαρ 3

0 ThgRa

∆= = 105 – 109 , bevorzugt: 2 ⋅ 106

Erdmantel stark überkritisch, heftige Konvektion

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Konvektionsmuster bei verschiedenen Rayleighzahlen

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Thermische Konvektion bei hoher Rayleighzahl

•Viskose Flüssigkeit•Auftriebskräfte durch thermische Ausdehnung: Plumes•Abtriebskräfte durch thermische Kontraktion•Ra = 106

Erwärmung von unten

Abkühlung oben

Anfangsstörung

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Isothermisches Isothermisches (bzw.(bzw.adiabatischesadiabatisches) ) ZelleninnereZelleninnere

Kalte thermische Grenzschicht (entspricht Kalte thermische Grenzschicht (entspricht LithosphäreLithosphäre))

Heiße thermische Grenzschicht (entspricht D‘‘)Heiße thermische Grenzschicht (entspricht D‘‘)

Zusammenfassung charakteristischer Elemente Zusammenfassung charakteristischer Elemente hoher Rahoher Ra--KonvektionKonvektion

PlumePlume SlabSlab

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3D thermische Konvektion bei hoher Rayleighzahl

Modellierung durch Gruppe Ulli Hansen, Münsterhttp://earth.uni-muenster.de/geodynamik/einleitung/geoindex.html

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Thermische Konvektion bei innerer Erwärmung

•Erwärmung von innen durch radioaktive Quellen•Abtriebskräfte durch thermische Kontraktion: Sinkende „Tropfen“•Keine Plumes•RaH = 106

Erwärmung von innen

Abkühlung oben

Anfangsstörung

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Plattentektonik - Mantelkonvektion

Treibt Mantelkonvektion die Plattentektonik an oder umgekehrt?

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Antriebskräfte

Gravitationsgleiten (Gravitationsgleiten (RidgepushRidgepush))

Mantle Mantle dragdragSlab Slab pullpull

Mantle resistanceMantle resistance

Existieren ähnliche Kräfte in der Mantelkonvektion?Existieren ähnliche Kräfte in der Mantelkonvektion?

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Antriebskräfte

Gravitationsgleiten (Gravitationsgleiten (RidgepushRidgepush))Mantle Mantle dragdrag

Slab Slab pullpull

Mantle resistenceMantle resistence

Negativer Auftrieb (Negativer Auftrieb (SlabSlab pull)pull)

Mantle resistanceMantle resistance

GravitationsgleitenGravitationsgleiten(Druckgradient durch (Druckgradient durch thermische Verdickung)thermische Verdickung)

Mantle Mantle dragdrag (bei (bei rheologischen rheologischen Kontrasten)Kontrasten)

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Plattentektonik stellt einen integralen Plattentektonik stellt einen integralen Teil der Mantelkonvektion darTeil der Mantelkonvektion dar

ZwischenergebnisZwischenergebnis

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Wie sehen nun die Konvektionsströmungenim Erdmantel aus?

→ Plattentektonische Bewegungen→ Seismologie

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Plattengeschwindigkeiten: = 10 cm/Jahr

Konvektionsmuster von oben = bewegende Platten→ Plattendominierte Mantelkonvektion

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Plattentektonik, auf einem Lavasee

Erta ale, Äthiopien Copyright: J. Alean, R. Carniel, M. Fulle. http://www.educeth.ch/stromboli/perm/erta/lava-en.html

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Ähnlichkeiten (+)

und

Unterschiede (-)

zur globalen Plattentektonik

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• Spreadingzonen• Tripelpunkte

• Zick zack Muster stattSegmentierung

• Asymmetrische Spreadingrate

• RückenzentrierterHotspot

• mit altem Krustensegment

Copyright: J. Alean, R. Carniel, M. Fulle. http://www.educeth.ch/stromboli/perm/erta/lava-en.html

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• Propagierende ridges• Mikroplatten dazwischen• Rückensprünge

• Hotspots

• aber nahe Subduktionszone

Copyright: J. Alean, R. Carniel, M. Fulle. http://www.educeth.ch/stromboli/perm/erta/lava-en.html

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• Streifenmuster• Große Transformstörung• Faultzones

• Asymmetrien des spreading

• Asymmeterisches Spreading

Copyright: J. Alean, R. Carniel, M. Fulle. http://www.educeth.ch/stromboli/perm/erta/lava-en.html

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Zeitliche Entwicklung, 90 facher Zeitraffer

• zeitliche Vaiationender Spreadingrate(Fluktuationen)

• Ändeungen derSpreadingrichtung

• Subduktionszonen-vulkanismus

• Große Transform-störungen mit Vulkanismus

• Kurzlebige Hotspotsan Spreadingzonen

• langlebiger Hotspot• asymmetrische

Spreadingraten, insbesondere nachAufbrechen einer kalten Platte

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Plattenewegungen und Kontinentaldrift der letzten 200 Ma

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Seismische Tomographie → Mantelkonvektion

Tomographie

Seismische Geschwindigkeitsanomalien

Dichte und Temperaturanomalien

Auftriebskräfte im viskosen Mantel

Berechnung von Strömungsfeldern

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Rote Strahlen: Laufzeit der Bebenwellen langsamer als normal

Schwarze Strahlen: Laufzeit der Bebenwellen normal

Seismische Tomographie

--> Mathemetisches Verfahren liefert Abbild der seismischen langsamenund schnellen Regionen im Erdinnern

Heiß, und daher langsamere Ausbreitungsgeschwindigkeitfür seismische Wellen

SeismischeQuelle

StationenSeismischeQuelle

Stationen

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Model S20RTS is a shear velocity model of the mantle derived usingnormal splitting, surface wave dispersion, and body wave travel time data. The most recent description of this model is given in the paper: Seismic imaging of structural heterogeneity in Earth's mantle: Evidence for large-scale mantle flow Jeroen Ritsema and Hendrik-Jan van HeijstScience Progress, 83, 243-259, 2000.

Ritsema Heijst, 2000

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Steinberger 2000

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Steinberger 2000

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Die einzelnen Die einzelnen KovektionselementeKovektionselemente::

•• AufströmeAufströme•• AbströmeAbströme

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Mantelkonvektion

Spreading, riftingSubduktion

Starting plume

Hot spot

Orogenese

Isostatischer Ausgleich

Innerer Kern

Plume

Äußerer Kern

Unterer Mantel Über

gang

szon

e

Asth

enos

phär

e

Lith

osph

äre

Nicht skaliert

Konvektive Aufströme: Plumes und Hot spots,

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Mantelkonvektion

Spreading, riftingSubduktion

Starting plume

Hot spot

Orogenese

Isostatischer Ausgleich

Innerer Kern

Plume

Äußerer Kern

Unterer Mantel Über

gang

szon

e

Asth

enos

phär

e

Lith

osph

äre

Nicht skaliert

Konvektive Aufströme: Plumes und Hot spots,

Heißes Mantelmaterial steigt auf

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Numerisches Modell eines aufsteigenden Plumes

Marquart, 2000

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Hotspots: Beispiel Hawaii

Plume Plume unter driftender Platte:unter driftender Platte:-- VulkanketteVulkankette-- Zunehmendes Alter mit Zunehmendes Alter mit

Entfernung von aktivem Entfernung von aktivem HotspotHotspot

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Hotspots:Beispiel Island

IslandplumePlume Plume unter Rücken:unter Rücken:--Anomale Krustenproduktion, bis Anomale Krustenproduktion, bis

40 km mächtig40 km mächtig-- Rücken ragt über Rücken ragt über

Meeresoberfläche Meeresoberfläche hinaushinaus

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Tomographie Modelle des Islandplumes

Icemelt, Wolfe et al., 1997

Allen et al. 2003

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Numerisches Modell eines aufsteigenden Plumes mit Schmelzen (von T. Ruedas)

Gezeigt ist die anomaleTemperatur

Schmelzproduktionsrate

Hier findet das Aufschmelzen statt

120 - 60 km Tiefe

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Mantelkonvektion

Spreading, riftingSubduktion

Starting plume

Hot spot

Orogenese

Isostatischer Ausgleich

Innerer Kern

Plume

Äußerer Kern

Unterer Mantel Über

gang

szon

e

Asth

enos

phär

e

Lith

osph

äre

Nicht skaliert

Konvektive Aufströme: ozeanische Rücken

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Mantelkonvektion

Spreading, riftingSubduktion

Starting plume

Hot spot

Orogenese

Isostatischer Ausgleich

Innerer Kern

Plume

Äußerer Kern

Unterer Mantel Über

gang

szon

e

Asth

enos

phär

e

Lith

osph

äre

Nicht skaliert

(Normal) heißes Mantelmaterial steigt bis naheOberfläche auf

Konvektive Aufströme: ozeanische Rücken

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Modellierte ozeanische Rückenstruktur1 cm/a1 cm/a

Temperatur

Stromlinien

Schmelzrate

•• Spreading Spreading durch Gravitationsgleitendurch Gravitationsgleiten•• passives Aufströmenpassives Aufströmen•• Dekompressionsschmelzen erzeugt Dekompressionsschmelzen erzeugt 6 km ozeanische Kruste6 km ozeanische Kruste

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Mantelkonvektion

Spreading, rifting

SubduktionsvulkanismusBack arc Spreading

Starting plume

Hot spot

Orogenese

Isostatischer Ausgleich

Innerer Kern

Plume

Äußerer Kern

Unterer Mantel Über

gang

szon

e

Asth

enos

phär

e

Lith

osph

äre

Nicht skaliert

Subduktionszonen

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Mantelkonvektion

Spreading, rifting

SubduktionsvulkanismusBack arc Spreading

Starting plume

Hot spot

Orogenese

Isostatischer Ausgleich

Innerer Kern

Plume

Äußerer Kern

Unterer Mantel Über

gang

szon

e

Asth

enos

phär

e

Lith

osph

äre

Nicht skaliert

Subduktionszonen

Schmelztemperatur wird durch freigesetztes Wasser herabgesetzt

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Evolution abgetauchter Evolution abgetauchter SlabsSlabs im Mantel?im Mantel?

-- ModellierungenModellierungen-- SeismologieSeismologie

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Effekt eines Viskositätssprunges in 660 km

•• Trench rollbackTrench rollback•• Slab pile Slab pile upup•• FaltenbildungFaltenbildung

((EnnsEnns, Becker, Schmeling, 2003), Becker, Schmeling, 2003)

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Effekt der Phasengrenzen in 410km und 660 kmEffekt der Phasengrenzen in 410km und 660 km

OlivinOlivin

SpinellSpinell

Perovskit Perovskit + + MagnesiowüstitMagnesiowüstit

Normale Geotherme

Slab Geotherme

•• Aufwölbung der Aufwölbung der Ol Ol –– Sp Sp ––GrenzeGrenze•• Depression der Depression der Sp Sp –– PvPv++Mw Mw GrenzeGrenze

Schubert et al., 2001Schubert et al., 2001 Mantle convection Mantle convection in in the the Earth and Earth and PlanetsPlanets

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Effekt auf Auftrieb (Effekt auf Auftrieb (Slab Slab pull)pull)

antreibend

bremsend

Schubert et al., 2001Schubert et al., 2001 Mantle convection Mantle convection in in the the Earth and Earth and PlanetsPlanets

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Tetzlaff und Schmeling, 2000

Fukao et al., 2001

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ZwischenergebnisZwischenergebnis::

• Viskositätssprung und Phasengrenzen behindern Subduktion

• Durchdringung jedoch möglich und wahrscheinlich• Bestätigt durch seismische Tomographie• Ganzmantelkonvektion mit verringertem

Massenfluss durch 660km

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Mantelkonvektion

Spreading, riftingSubduktion

Starting plume

Hot spot

Orogenese

Isostatischer Ausgleich

Innerer Kern

Plume

Äußerer Kern

Unterer Mantel Über

gang

szon

e Lith

osph

äre

Nicht skaliert

Ein zweiter Mode der Mantelkonvektion

Sublithosp

härisc

he

Konvek

tion

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Kleinräumige sulithosphärische Konvektion

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Instabilität sublithosphärischer Konvektion

Wann wird eine Störung nahe der Basis der abkühlenden Lithosphärekonvektiv instabil?

(Marquart, Schmeling, Braun, GJI, 1999)

Thermische Diffusionszeit

Rayleigh-Taylor Wachtumszeit

Instabil → sublithosphärische Konvektion

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Numerisches Modell sublithosphärischerKonvektion

Partiell geschmolzene Regionen

Temperatur

Stromlinien

2D Modell mit Non-Newtonischer Olivinrheologie

Ergebnisse:

• Laterale Temperaturvariationen an Lithosphärenbasis von 100 -200K

• Episodisch sinkende blobs

(Schmeling und Marquart, PEPI, 1993)

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Schwereanomalien des Süd-Ost Pazifiks aus ERS1 Daten

• Anomalien senkrecht zum Rücken

• Sie kreuzen ältere Fracture zones

• Wellenlänge im W größer

SublithosphärischeKonvektion

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Sublithosphärische Konvektion in kontinentalen Bereichen?

(Goes et al., JGR 2000)

Laterale T-Variationen von ±100K in der Asthenosphäresollten sublithosphärische Konvektion hervorrufen

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Zusammenfassung:Zusammenfassung:

• Grundlagen Mantelkonvektion: •Wärmequellen: 50% Anfangswärme und 50% radiogene Wärme • Ra im Erdmantel stark überkritisch, heftige Konvektion• Plattenkräfte: Gravitationsgleiten (Ridge push), mantle drag, slab pull,slab

resistance• Plattentektonik stellt einen integralen Teil der Mantelkonvektion dar• Mode der Mantelkonvektion: Plattendominiert, ähnlich Lavasee

• Seismische Tomographie: Abbild der gegenwärtigen Temperaturverteilung im Mantel (Slabs im mittleren Mantel, Superplumes unter Afrika undPazifik)

• Hieraus gegenwärtige Mantelströmungen berechenbar• Plumes:

• unter driftenden Platten: Vulkanketten mit Altersabfolge• unter Spreadingzonen: anomale Krustenproduktion

• Spreading ridges: Passives Aufströmen• Subduktionszonen: Viskositätssprung und Phasengrenzen behindern

Subduktion (Trench rollback, slab pile up, Faltenbildung)• Durchdringung jedoch möglich und wahrscheinlich• Bestätigt durch seismische Tomographie• Ganzmantelkonvektion mit verringertem Massenfluss durch 660km

• Zweiter Mode der Konvektion: Sublithosphärische kleinräumige Konvektion unter Ozeanen (Rollen) und Kontinenten (200K laterale T-Variationen)

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Die Konvektionsgleichungen, dimensionslos (´)

Massenerhaltung

Impulserhaltung

Energieerhaltung

Rayleighzahlηκαρ 3

0 ThgRa

∆=

0)''(''

=∇+∂∂

vt

rrρ

ρ

0''

'

''

''

' 3 =−

∂∂

+∂∂

∂∂

+∇− eTRax

v

xv

xP

i

j

j

i

jdyn

rrη

''''''

'''

HTkDtDp

TDtDT

++∇∇=− φrr

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Thermische Konvektion bei Erwärmung von unten und von innen

•Erwärmung von innen und von unten•Abtriebskräfte durch thermische Kontraktion: Sinkende „Tropfen“•Auftriebskräfte durch thermische Ausdehnung: Schwache Plumes•RaH = 106

Erwärmung von innen

Abkühlung oben

Anfangsstörung

Erwärmung von unten