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Stability of the large low shear velocity provinces

Stabilität der basalen Melange im untersten Erdmantel

  • We study segregation of the subducted oceanic crust (OC) at the core mantle boundary and its ability to accumulate and form large thermochemical piles (such as the seismically observed Large Low Shear Velocity Provinces - LLSVPs). Our high-resolution numerical simulations suggest that the longevity of LLSVPs for up to three billion years, and possibly longer, can be ensured by a balance in the rate of segregation of high-density OC-material to the CMB, and the rate of its entrainment away from the CMB by mantle upwellings. For a range of parameters tested in this study, a large-scale compositional anomaly forms at the CMB, similar in shape and size to the LLSVPs. Neutrally buoyant thermochemical piles formed by mechanical stirring - where thermally induced negative density anomaly is balanced by the presence of a fraction of dense anomalous material - best resemble the geometry of LLSVPs. Such neutrally buoyant piles tend to emerge and survive for at least 3Gyr in simulations with quite different parameters. We conclude that for aWe study segregation of the subducted oceanic crust (OC) at the core mantle boundary and its ability to accumulate and form large thermochemical piles (such as the seismically observed Large Low Shear Velocity Provinces - LLSVPs). Our high-resolution numerical simulations suggest that the longevity of LLSVPs for up to three billion years, and possibly longer, can be ensured by a balance in the rate of segregation of high-density OC-material to the CMB, and the rate of its entrainment away from the CMB by mantle upwellings. For a range of parameters tested in this study, a large-scale compositional anomaly forms at the CMB, similar in shape and size to the LLSVPs. Neutrally buoyant thermochemical piles formed by mechanical stirring - where thermally induced negative density anomaly is balanced by the presence of a fraction of dense anomalous material - best resemble the geometry of LLSVPs. Such neutrally buoyant piles tend to emerge and survive for at least 3Gyr in simulations with quite different parameters. We conclude that for a plausible range of values of density anomaly of OC material in the lower mantle - it is likely that it segregates to the CMB, gets mechanically mixed with the ambient material, and forms neutrally buoyant large scale compositional anomalies similar in shape to the LLSVPs. We have developed an efficient FEM code with dynamically adaptive time and space resolution, and marker-in-cell methodology. This enabled us to model thermochemical mantle convection at realistically high convective vigor, strong thermally induced viscosity variations, and long term evolution of compositional fields.show moreshow less
  • Es wird allgemein akzeptiert, dass Mantelkonvektion - das langsame Fließen der Mantelgesteine, das mutmaßlich ein wichtiger Antrieb der Plattentektonik ist - von Dichteunterschieden verursacht wird, die thermischen aber auch chemischen Ursprungs sind. Es fehlen aber Kenntnisse über die thermochemischen Prozesse im Erdinneren, vor allem wegen Schwierigkeiten bei der Beobachtung. Eines der zuverlässigsten Resultate von tomographischen Beobachtungen ist die Existenz von zwei Haufen einer basalen Melange (BAM, LLSVP auf Englisch), die sich auf gegenüber liegenden Seiten in 3000 km Tiefe am Boden des Mantels unter Afrika bzw dem Pazifik befinden. Die niedrige Scherwellengeschwindigkeit in der BAM scheint eine thermischen (heiß) sowie einen chemischen (Material mit hoher Dichte) Ursprung zu haben. Aufgrund von plattentektonischen Rekonstruktionen wird angenommen dass die BAM langlebig und stabil sind, und dass sie von überwiegend von ihren Rändern hochquellenden Manteldiapiren beprobt werden. Die Hauptfrage meiner Doktorarbeit ist, wieEs wird allgemein akzeptiert, dass Mantelkonvektion - das langsame Fließen der Mantelgesteine, das mutmaßlich ein wichtiger Antrieb der Plattentektonik ist - von Dichteunterschieden verursacht wird, die thermischen aber auch chemischen Ursprungs sind. Es fehlen aber Kenntnisse über die thermochemischen Prozesse im Erdinneren, vor allem wegen Schwierigkeiten bei der Beobachtung. Eines der zuverlässigsten Resultate von tomographischen Beobachtungen ist die Existenz von zwei Haufen einer basalen Melange (BAM, LLSVP auf Englisch), die sich auf gegenüber liegenden Seiten in 3000 km Tiefe am Boden des Mantels unter Afrika bzw dem Pazifik befinden. Die niedrige Scherwellengeschwindigkeit in der BAM scheint eine thermischen (heiß) sowie einen chemischen (Material mit hoher Dichte) Ursprung zu haben. Aufgrund von plattentektonischen Rekonstruktionen wird angenommen dass die BAM langlebig und stabil sind, und dass sie von überwiegend von ihren Rändern hochquellenden Manteldiapiren beprobt werden. Die Hauptfrage meiner Doktorarbeit ist, wie solche großen chemischen Speicher wie die BAM sich bilden und über hunderte von Millionen Jahren überleben können, ohne dass sie von der Mantelkonvektion zerstört werden. Was sind die physikalischen Eigenschaften des BAM-Materials, z.B. Dichte, die dazu beitragen? Ich benutze numerische Modellierung um zu erforschen, wie sich eine dichte Bodenschicht bildet und wie die Mantelkonvektion Material daraus mitnimmt. Mein Ziel ist, die langfristige thermochemische Entwicklung des Erdmantels zu verstehen, insbesondere die Rolle der Dichteheterogeintäten Viskosität im untersten Mantel.show moreshow less

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Metadaten
Author:Elvira Mulyukova
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82228
Subtitle (English):numerical modeling of thermochemical mantle convection
Subtitle (German):numerische Modellierung thermochemischer Mantelkonvektion
Advisor:Michael H. Weber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/09/10
Release Date:2015/11/03
Tag:Erdmantel; numerische Modellierung; thermochemischer Mantelkonvektion
earth's mantle; numerical modeling; thermochemical mantle convection
Pagenumber:139
RVK - Regensburg Classification:TF 04999, TG 04200, TG 3000
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
MSC Classification:86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05]
PACS Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix)
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung, 4.0 International