Ein geodynamisches Modell der D'' Schicht als thermische Grenzschicht 

Bernhard Steinberger
(Institut für Meteorologie und Geophysik, Universität Frankfurt)

John C. Castle
(Dept. of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, MIT, Cambridge, MA, USA)

Die D'' Schicht wird häufig als thermische Grenzschicht im untersten Mantel
angesehen: Wärme tritt durch Diffusion vom darunterliegenden Kern ein,
und wird sowohl durch das großräumige Mantelströmungsfeld als auch durch
Mantelplumes weiter nach oben transportiert. Es ist zu erwarten, daß die
Dicke der thermischen Grenzschicht lateral variiert -- unter Aufströmen
ist eine größere Dicke als unter Abströmen zu erwarten. Hier stellen
wir ein numerisches Modell einer solchen Grenzschicht vor, und vergleichen
unsere Ergebnisse mit tomographischen Modellen des untersten Erdmantels.

Um den Einstroms der Wärmeenergie vom Kern, ihrer Umverteilung 
durch Advektion im großräumigen Mantelströmungsfeld und hin zur Basis von
Mantelplumes, und ihren Ausstrom aus der Grenzschicht in Plumes und
in großräumigen Aufströmen zu modellieren, verwenden wir eine
große Anzahl von passiven tracer Partikeln. Das großräumige Strömungsfeld
wird berechnet aufgrund von Tomographiemodellen des gesamten Mantels,
von denen angenommen wird, daß sie Temperatur- und damit Dichteanomalien
repräsentieren. Das selbe Strömungsfeld wird außerdem dazu verwendet,
die Bewegung von Mantelplumes, und damit die zeitlich variable Position
ihrer Basis, zu berechnen.

Ein Vergleich der berechneten gegenwärtigen Verteilung von Wärmeenergie
in der Grenzschicht mit tomographischen Modellen der Grenzschicht ergibt
viele Ähnlichkeiten, sowohl in der großräumigen Struktur als auch
in Details. Wir verwenden ausserdem das geodynamische Modell als Eingabe
für eine tomographische Inversion. Dabei ergibt sich, dass die
modellierte Verteilung von Wärmeenergie und damit Temperatur großenteils 
durch Tomographie festgestellt werden kann. Das tomographisch Abbild
ist jedoch in der Amplitude gedämpft verglichen mit dem Eingabemodell;
in Gebieten mit geringerer Durchstrahlungsdichte werden nicht alle Details
des Eingabemodells abgebildet.

Die Berücksichtigung einer Strömungskomponente in der D'' Schicht hin zur 
Basis von Mantelplumes, zusätzlich zum großräumigen Mantelströmungsfeld,
beeinflußt das Ergebnis nicht stark, zumal die Basis eines Mantelplumes
wie die tracer Partikel im allgemeinen auf einen großräumigen Aufstrom
zubewegt wird. Die berechneten Positionen der plumes im untersten
Mantel konzentrieren sich damit viel stärker als die vertikal projizierten
hotspot Positionen in Gebieten der D'' Schicht mit erniedrigter seismischer 
Geschwindigkeit. Basierend auf unseren Ergebnissen, teilen wir die D''
Schicht versuchsweise in eine Anzahl von "Abflußgebieten" ein. Für
nicht jedes dieser Abflußgebiete findet sich ein zugeordneter hotspot
an der Oberfläche, jedoch ist es möglich, daß einige Mantelplumes
nicht zu Vulkanismus führen.