Entwicklung der Erde

Magmaozean

In einer frühen Phase der Erdentstehung (vor ungefähr 4,5 Milliarden Jahren) kollidierte die Erde mit zahlreichen planetaren Körpern, die teilweise die Größe des heutigen Mars erreichten. Diese Kollisionen führten zu großflächigen Aufschmelzungen (Magmaozeane) auf der Erde. Diese erstreckten sich teilweise über die gesamte Erdoberfläche und erreichten Tiefen von einigen hundert Kilometern. Zur Zeit der Magmaozeane rotierte die Erde sehr viel schneller als heute und benötigte für eine vollständige Umdrehung nur ca. fünf Stunden, während sie heute ca. 24 Stunden für einen vollständigen Umlauf benötigt.

Wir untersuchen den Einfluss der Erdrotation auf die Dynamik von Gesteinskristallen (Silikate) mithilfe von Computerexperimenten in einer rotierenden Kugelschale. Aus unseren Ergebnisse lässt sich ableiten, dass durch die schnelle Erdrotation großskalige chemische Strukturen im unteren Erdmantel entstehen könnten (Maas & Hansen, 2019), welche auch heutzutage noch durch Seismologen beobachtet werden.

Nach dem Abkühlen des Planeten kommt es zur Erstarrung des Magmaozeans wobei möglicherweise Gesteinsschichten mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung im Mantel vorhanden wären, was einen großen Einfluss auf die weitere Konvektion im Mantel hätte.

Mantelkonvektion

Die Kern-Mantel-Grenze (CMB) stellt die untere Grenzschicht des erstarrten Erdmantels dar und ist strukturell sehr komplex mit thermischen Aufströmen (Plumes), thermochemischen Hügeln (Piles, LLSVPs) und absinkenden (subduzierenden) Platten von der Erdoberfläche.

Von Seismologen beobachtete Strukturen an der Kern-Mantel-Grenze (CMB) haben möglicherweise eine höhere Dichte als ihre Umgebung. Diese Strukturen könnten sich entweder aus einer dichten Schicht geformt haben, die aus der Zeit des Magmaozeans stammt, und/oder laut geochemischer Analysen auf das Vorhandensein von Kernmaterial im Mantel hindeuten.

Wir untersuchen daher Kern-Mantel-Wechselwirkung als eine mögliche Ursache. Unsere Simulationen zeigen, dass das Eindringen von eisenreichem Material in den Mantel an die konvektive Mantelströmung gekoppelt ist. Es bilden sich langlebige Ansammlungen (Piles) von dichtem Material (Stein and Hansen, 2023).

Plattentektonik

Die Plattentektonik stellt die Ausprägung der Mantelkonvektion an der Erdoberfläche dar. Dabei bewegen sich die Erdplatten mit einigen Zentimetern pro Jahr, werden an Mittelozeanischen Rücken erzeugt und sinken an Subduktionszonen wieder ins Erdinnere. An den Plattengrenzen zeigen sich eine Vielzahl geologischer Beobachtungen, wie Vulkanausbrüche und Erdbeben.

Wir verwenden Computermodelle, um den Einfluss dichter Strukturen im tiefen Erdmantel auf die Entwicklung der Plattentektonik zu untersuchen. Solche Strukturen aus dichtem, eisen-reichen Material haben einen stabilisierenden Einfluss auf die Strömung im Erdmantel (Trim et al., 2014).

Unsere Modelle zeigen, dass das Vorhandensein von dichtem Material die tektonische Entwicklung verzögert.  Der mobile Zustand ähnlich der heutigen Plattentektonik wird später erreicht. Er entwickelt sich nach dem Durchlaufen verschiedener Phasen: beginnend von einer unbeweglichen Oberflächen über episodische Mobilisierungen der Oberfläche (Kreielkamp et al. 2022).