Die Physik der festen Erde

Das globale GOCE Geoid und Schwerefeldanomalien – Forschungsgrundlage für die Geophysik

Ätnaausbruch, Foto: Karsten Berg

Im Laufe der geologischen Geschichte unserer Erde haben die verschiedenen geodynamischen Prozesse, wie die isostatische Kompensation, die Kollision der Kontinente oder die Subduktion komplexe Krusten und lithosphärische Strukturen hervorgebracht und sie tun das noch immer. Diese Strukturen liefern uns je nach Beschaffenheit unterschiedliche Schweresignale, die für geologische Modelle bedeutende Zwangsbedingungen darstellen. Eines der größten Probleme jedoch ist, dass terrestrische Schweremessungen

in verschiedenen Erdregionen teilweise ganz fehlen, von schlechter Qualität sind oder eine unterschiedliche Auflösung haben und ihre Referenzsysteme nicht kompatibel sind, was manchmal in Diskrepanzen bis zu 60 mGal resultiert. Um also geologische Prozesse und die Strukturen, die sie verursachen, zu verstehen, benötigt man ein globales, homogenes Feld von Schwereanomalien, mit einer möglichst hohen Auflösung.. Dies wird GOCE erstmalig liefern.

 

Mantelflüsse aus der seismischen Tomographie

Mantelflüsse prägen Erdoberfläche, plattentektonische Bewegungen, Gravitationsfeld und Geoid wie auch ihre zeitlichen Variationen. Fast alle wichtigen oberflächennahen Vorgänge wie Gebirgsbildung, die Entstehung der Riftzonen, die Einwirkung von Mantelplumes auf die Lithosphäre, Sedimentationsprozesse oder Druckaufbau in Erdbebenzonen bilden sich im Schwereanomalienfeld ab. Kennen wir die antreibenden Dichteanomalien im Erdinneren und das Schwerepotential außerhalb, so lassen sich daraus Rückschlüsse auf rheologische Eigenschaften ziehen und der Mantelfluss quantitativ bestimmen. Während das Schwerepotential ein Schlüsselparameter für die Dynamik im Erdinneren ist, ist das Verhältnis von Dichteverteilung und Schwerefeld komplizierter: Aus der Dichte leitet sich zwar das Schwerefeld ab, der Rückschluss vom Schwerefeld auf die Dichteverteilung ist aber nicht eindeutig und erfordert zusätzliche Information, wie z.B. die seismische Geschwindigkeit. Geschwindigkeitsanomalien lassen sich durch seismische Tomographie ermitteln und in Dichteanomalien konvertieren. Auch dieser Zusammenhang ist komplex. Zudem sind Erdbeben und seismische Messstationen sind auf der Welt nicht gleichmäßig verteilt. Dies beschränkt die Auflösung und damit die Möglichkeiten, allein aus den seismischen Tomographiedaten dynamische Modelle zu entwickeln. Auch wichtige geophysikalische Prozesse, die die Erdoberfläche formen und das Leben der Menschen beeinflussen, lassen sich nur unzulänglich simulieren.

Außerdem können auch laterale Heterogenitäten in wichtigen tektonischen Strukturen, wie beispielsweise Sedimentbecken, mit der heutigen seismischen Tomographie nicht zufriedenstellend erklärt werden.

Im Vergleich dazu werden die gradiometrischen Daten aus den GOCE-Messungen daher die Kenntnis der äußeren Schichten unseres Planeten wesentlich verbessern: Zum einen liefert GOCE neue, direkte Informationen über die Intensität der Dichteanomalien und ihre Geometrie auf Wellenlänge von Kruste, Lithosphäre und oberer Mantel. Außerdem wird die gleichzeitige Inversion der tomographischen und gradiometrischen Daten uns ein besser aufgelöstes Bild von Lithosphäre und oberem Erdmantel liefern, eine wichtige Zwangsbedingung für geodynamische Modelle, die die zeitliche Entwicklung von Prozessen in Lithosphäre und Erdmantel nachbilden sollen.

Durch die hohe Auflösung von GOCE von 1 mGal bei einer räumlichen Auflösung von 100 km ist zu erwarten, dass noch kleinere Strukturen und Phänomene aufgedeckt werden, wie aktive und passive Kontinentalgrenzen, ehemalige Plattengrenzen, versteckte kontinentale Verwerfungen und die Steilheit abtauchender Platten im Subduktionsbereich. Die GOCE-Daten bieten auch eine zuverlässige Referenz für terrestrische sowie Messungen per Schiff oder Flugzeug. Lücken und Versätze an Küsten und Grenzen können dadurch vermieden werden. Außerdem liefert GOCE die Schweredatenbasis für seismisch wenig erschlossene Gebiete.

Kombiniert mit seismischen und mineralogischen Daten kann das globale Schwerefeld dazu verwendet werden, das globale Strömungsmodell mit lateral variierender Viskosität zu verbessern. Diese Verfeinerungen betreffen vor allem Ablenkungen der Magmaströme an internen Grenzen,wie zwischen oberem Erdmantel und Übergangszone und von dieser zum unteren Erdmantel (410 km und 660 km Diskontinuitäten).

 

Die Beziehung von Dichte und Geschwindigkeit

Das Diagramm zeigt die verbesserte Auflösung von GOCE. Dargestellt wird die Genauigkeit als Funktion der räumlichenAuflösung, die notwendig ist um wichtige geodynamische und tektonische Phänomene erfassen zu können. (Quelle:ESA)

Ein grundsätzliches Problem ist die Beziehung zwischen der anomalen seismischen Geschwindigkeit und der Dichte oder Temperatur. Während in der Vergangenheit einfach Konstanten angenommen wurden, z.B. das Birchsche Gesetz, liefert die Mineralphysik heute verbesserte tiefenabhängige Einschränkungen und die Dichtestruktur kann mit der seismischen Tomographie detaillierter festgestellt werden. So lassen sich heute die thermischen und kompositorischen Ursachen von Dichteanomalien im Erdmantel trennen.

 

Die Modellierung glazialer, isostatischer Ausgleichsprozesse

Der Prozess des glazialen, isostatischen Ausgleichs (GIA nach dem englischen Glacial Isostatic Adjustment), bei dem die Erde arbeitet, um einen Gleichgewichtszustand zwischen Erdplatten und Asthenosphäre wieder herzustellen, ist mit verantwortlich für den langfristigen Anteil lokaler Meerespiegelanstiege und die Entwicklung des Schwerefeldes der Erde (Diese Phänomene können allerdings auch durch gegenwärtig entstandene Massenanomolien in der Antarktis und Grönland mit verursacht werden).

Dazu zählen wir die Reaktion der Erde auf den Wegfall der Eislasten, die Postglaziale Landhebung. Aber auch der Prozess der Gebirgsfaltung führt zu einem isostatischen Ungleichgewicht. Wie die Erde auf solche Ereignisse reagiert, hängt sowohl von der Rheologie der Kruste und des Mantels als auch von der Dicke der Erdkruste ab.

Die aus den GOCE-Daten hergeleiteten Schwerefeldstrukturen in ehemals oder immer noch vergletscherten Regionen können zur Modellierung dieser Prozesse verwendet werden, auch die Viskositätsstruktur kann, in Kombination mit GRACE-Daten bestimmt werden.

 

Zusammengefasst:

Geoidanomalien enthalten also wesentliche Informationen zur Zusammensetzung und zur Viskositätsverteilung des Erdmantels, während Schwereanomalien Dichtekontraste der Lithosphäre offenbaren. Das Schwerefeld ist damit eine der Quellen, die uns einen Blick tief ins Erdinnere erlauben, Seismik und Magnetfeld die beiden anderen. Um die Dynamik des Erdinneren zu entschlüsseln, wird man zukünftig zu einer Modellierung übergehen, die diese drei Felder integriert und gleichzeitig die indirekten Erkenntnisse aus der Topographie, den Schwankungen der Erdrotation, den tektonischen und postglazialen Bewegungsprozessen und der Laboranalysen von Krusten- und Mantelmaterial mit einbezieht.

Die Zuordnung des Geoidsignals zu den einzelnen geophysikalischen Prozessen bleibt dabei eine der größten Herausforderungen.

 

Quellen:

Jacob Flury: GOCE Nutzungskonzept
Reiner Rummel: Dynamik aus der Schwere – Globales Gravitationsfeld
Anna Maria Marotta: Benefits from GOCE within Solid Earth Geophysics
GOCE-Projektbüro Deutschland: Mass Transport and Mass Distribution in the Earth System

Link: Universität Kiel