Ergebnisse für Mantelplumes mit zeitlich variablem Plumefluß
6.1 Erzeugung kurzzeitiger Störungen im Plumefluß
6.2.2 Ergebnisse für verschiedene Spreadingraten und PlumeviskositätenPlumeviskositäten
Um den Einfluß der Spreadingrate und der Plumeviskosität auf die Ausbreitung von Volu-menstörungen des Plumes unter Mittelozeanischen Rücken zu untersuchen, habe ich neben der im letzten Abschnitt vorgestellten Modellrechnung noch drei weitere Rechnungen mit zeitabhängiger Plumebreite am unteren Rand der Modellbox durchgeführt. Dazu habe ich
6.2 Modellrechnungen in 3–D 113
Tabelle 6.2: Parameter zur Erzeugung einer Störung bei geringem Viskositätskontrast
Parameter Bedeutung Wert Einheit Skalierter Wert
δr1=2=r0 Amplitude der Störung – – 0.5
t1=2 Zeitdauer der Störung 1.0 Ma 210 4
t0 Zeitpunkt des Maximums 1.5 Ma 310 4
c0 Referenzgeschwindigkeit 14 cm/a 1750
c=c0 Geschwindigkeit der Störung – – 2.65
λ Vertikale Ausdehnung der Störung 371 km 0.9
C Max. Geschwindigkeitsgradienten 12 Ma 2 3108
die in Abbildung 5.16 auf Seite 91 dargestellten stationären Modelle mit unterschiedlicher Spreadingrate und Plumeviskosität als Startlösung der zeitabhängigen Rechnungen gewählt.
In dem Modell mit hoher Spreadingrate, das einen ähnlichen Viskositätskontrast zwischen Plume- und Mantelmaterial wie das Referenzmodell hat (Modell 12.2 im Anhang A.2), sind dieselben Parameter zur Erzeugung der Störung wie im Referenzmodell verwendet worden (siehe Tabelle 6.1). In den Modellen mit geringem Viskositätskontrast (Modelle 3.2 und 6.2 im Anhang A.2) ist die Geschwindigkeit im Plume und damit auch die Aufstiegsgeschwin-digkeit der Störung kleiner. Deshalb habe ich in diesen beiden Modellen die Plumebreite über einen längeren Zeitraum erhöht. Die genauen Parameter zur Erzeugung der Störung bei geringem Viskositätskontrast finden sich in Tabelle 6.2. Der Volumenfluß des Plumes am unteren Rand der Modellbox ist als Funktion der Zeit für die vier berechneten Model-le in Abbildung 6.6 zusammengestellt. Bei geringem Viskositätskontrast ist die durch die zeitabhängigigen Randbedingungen erzeugte Amplitude der Volumenstörung etwas größer und im Vergleich zu den Störungen bei großem Viskositätskontrast zeitlich leicht versetzt.
Insgesamt sind die Störungen in allen Modellen aber sehr ähnlich, so daß die Ergebnisse der Modellrechnungen direkt miteinander verglichen werden können.
Abbildung 6.7 zeigt Momentaufnahmen der Zeitentwicklung für die vier Modelle. Dabei sind die Ergebnisse der Modelle mit unterschiedlicher Spreadingrate, aber gleichem Visko-sitätskontrast jeweils zu derselben Zeit dargestellt. Die Ergebnisse der Modelle mit unter-schiedlichem Viskositätskontrast unterscheiden sich dagegen zeitlich, weil die Ausbreitung der Störung bei kleinem Viskositätskontrast langsamer erfolgt. Bei geringer Spreadingrate bildet sich unabhängig vom Viskositätskontrast eine pulsförmige Anomalie, die sich entlang der Spreadingachse bewegt (siehe Abbildungen 6.7a und c). In dem Modell mit geringem Viskositätskontrast erfolgt die Ausbreitung der Störung allerdings nicht über so große Ent-fernungen entlang der Spreadingachse wie in dem Modell mit großem Viskositätskontrast, weil auch die Ausdehnung des stationären Plumes an der Spreadingachse in diesem Modell geringer ist. Gleichzeitig breitet sich ein etwas größerer Teil der Störung in Richtung der Plattenbewegung aus. In beiden Modellen erreicht die Anomalie den äußeren Bereich des Plumes, wo die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung deutlich kleiner wird und sich die
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Abbildung 6.6: Zeitliche Entwicklung der Breite der Temperaturanomalie (kurz-gestrichelt) und des Volumenflusses des Plumes am unteren Rand der Modellbox für Modell 9.2 (durchgezogen), Modell 12.2 (gepunktet), Modell 3.2 (gepunktet-gestrichelt) und Modell 6.2 (lang-(gepunktet-gestrichelt).
Temperaturanomalie langsam auflöst.
Bei hoher Spreadingrate bietet sich ein etwas anderes Bild. Zwar strömt auch hier der über-wiegende Teil der Anomalie zunächst entlang der Spreadingachse, die Ausbreitung stoppt allerdings bereits in geringer Entfernung vom Plumezentrum, weil die Ausdehnung des Plu-mes an der Spreadingachse in beiden Modellen sehr gering ist. Dadurch ist die Tempera-tur im Randbereich des Plumes über einen längeren Zeitraum deutlich erhöht (siehe Ab-bildungen 6.7b und d). Während dieser Zeit kühlt die neugebildete Lithosphäre in diesem Bereich des Rückens weniger stark ab als in dem stationären Modell, so daß eine thermi-sche Anomalie in der Lithosphäre entsteht, die nachfolgend mit der Plattenbewegung von der Spreadingachse wegtransportiert wird und letztendlich die Modellbox durch den offenen Seitenrand verläßt. Ebenso wie in den Modellen mit geringer Spreadingrate strömt auch bei hoher Spreadingrate ein größerer Teil der Störung in Richtung der Plattenbewegung, wenn der Viskositätskontrast gering ist.
Die Ausbreitung der Strömung entlang der Spreadingachse erfolgt bei hoher Spreadingra-te über zu geringe Entfernungen, um sinnvoll eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung bestimmen zu können. Das Ergebnis für die Störung bei geringer Spreadingrate und gerin-gem Viskositätskontrast ist in Abbildung 6.8 dargestellt. Abgesehen von dem Bereich nahe des Plumezentrums, wo die Bestimmung der Geschwindigkeit sehr ungenau ist, weil noch keine eindeutige pulsförmige Anomalie vorliegt, breitet sich die Störung in diesem Modell etwas langsamer aus als das Plumematerial im stationären Modell. Möglicherweise wird
die-6.2Modellrechnungenin3–D115
10 20 25 30 50
0 5 15 35 40 45 K
(b) (a)
(c) (d)
Abbildung 6.7: Momentaufnahmen der zeitlichen Entwicklung von Störungen für (a) u0=1 cm/a,γ=16 253 (Modell 9.2) und (b) u0=4 cm/a,γ=16 024 (Modell 12.2) zur Zeit t=4:56 Ma und für (c) u0=1 cm/a,γ=423 (Modell 3.2) und (d) u0=4 cm/a, γ=420 (Modell 6.2) zur Zeit t=6:75 Ma nach Einsatz der Störung am unteren Rand der Modellbox.
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0.5 1.0 1.5 2.0
y 0
500 1000 1500 2000 2500
Ausbreitungsgeschwindigkeit
Abbildung 6.8: Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung für Modell 3.2 (durchgezogen) und laterale Geschwindigkeit des Plumematerials im stationären Modell (ge-strichelt) entlang der Spreadingachse in Abhängigkeit von der Entfernung zum Plumezentrum.
se leichte Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit dadurch verursacht, daß über einen längeren Zeitraum heißes Material von hinten in die Störung nachströmt und das Fortschrei-ten des Maximums der Temperaturanomalie entlang der Spreadingachse verzögert.
Die Modellrechnungen zeigen, daß die Entfernung, über die sich Störungen im Plumefluß entlang der Spreadingrate ausbreiten, von der Plumebreite im zugrundeliegenden stationären Modell abhängt. Bei geringer Spreadingrate bilden sich pulsförmige Anomalien unterhalb des Rückens, die ungefähr mit der Strömung des Plumematerials entlang der Spreadingachse transportiert werden. Dabei nimmt die Konzentration der Anomalie auf den Rückenbereich mit kleiner werdender Plumeviskosität zu. Bei hoher Spreadingrate endet die Ausbreitung der Störung dagegen bereits in geringer Entfernung zum Plumezentrum, worauf sich eine Anomalie in der Lithosphäre bildet, die mit der Plattenbewegung von der Spreadingachse wegtransportiert wird.