Tektonisch-topographische Reaktion konvergenter Plattenränder auf Veränderungen im submarinen Relief – eine Analyse basierend auf der Kombination von analytischen und numerischen Betrachtungen des Kräftegleichgewichts

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Armin Dielforder; Professorin Dr. Andrea Hampel
• Fachliche Zuordnung: Geologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508566728

Die Subduktion ozeanischer Lithosphäre an konvergenten Plattenrändern führt zu Deformation und Gebirgsbildung, wobei über Millionen von Jahren ein Kräftegleichgewicht zwischen der Scherkraft entlang der Plattengrenze und gravitativen Kräften entsteht. Die Scherkraft führt dabei zu Kompression in der Oberplatte und treibt Deformation und Gebirgsbildung an. Gleichzeitig bedingen die gravitativen Kräfte durch das Relief des Plattenrands, d.h. des Höhenunterschieds zwischen Tiefseerinne und höchster Topographie in der Oberplatte, einen Druckgradienten, der deviatorische Tension verursacht und der Kompression entgegenwirkt. Bei Gleichgewicht der Kräfte sind die Spannungen in der Oberplatte minimal. Hingegen führen Störungen des Kraftgleichgewichts zu Deformation in der Oberplatte, bis die Spannungen wieder minimiert sind. Im Rahmen des geplanten Projekts soll untersucht werden, wie sich Störungen des Kräftegleichgewichts im Zuge a) der Subduktion eines submarinen Rückens und b) des Übergangs von Subduktion zu kontinentaler Kollision auf die tektonisch-topographische Entwicklung der Oberplatte auswirken. In beiden Fällen verringert sich die Tiefe der Tiefseerinne und damit das submarine Relief, wodurch sich das Verhältnis von gravitativen Kräften zu Scherkräften verändert und Deformation und Gebirgsbildung gefördert werden. Zur Untersuchung dieser Fragestellung werden wir analytische Berechnungen zum Kräftegleichgewicht mit 2D und 3D finite-Elemente-Modellierungen kombinieren. Das Projekt umfasst eine detaillierte Parameterstudie zur Identifizierung der Faktoren, die die Reaktion der Oberplatte auf Störungen des Kräftegleichgewichts wesentlich bestimmen. Zu den betrachteten Parametern gehören u.a. der Betrag der Reliefänderung, der Abtauchwinkel der ozeanischen Platte sowie die mechanische Festigkeit von Plattengrenze und Oberplatte. Durch den Einsatz von 3D Modellen werden erstmals plattenrandparallele Spannungen und Deformationsmuster durch schiefe Subduktion in den Betrachtungen des Kräftegleichgewichts berücksichtigt. Als natürliche Beispiele für die Anwendung der Modelle sind u.a. der Cocos-Rücken (Mittelamerika), der Nazca-Rücken (Peru) sowie die beginnende Kollision am Sunda-Banda-Bogen (Südostasien) vorgesehen. Insgesamt wird die neuartige Kombination von analytischen und numerischen Betrachtungen zum Kräftegleichgewicht erstmals detaillierte quantitative Aussagen darüber erlauben, wie sich submarine Reliefänderungen im Zuge der Subduktion eines Rückens oder eines passiven Kontinentalrands auf das Spannungsfeld und die Topographie in der Oberplatte auswirken. Die Projektergebnisse sind relevant u.a. für Untersuchungen zu Spannungs- und Deformationsmustern an aktiven und fossilen Kontinentalrändern sowie Rekonstruktionen von Paläotopographie. Damit wird das Projekt dazu beitragen, das Verständnis für die Auswirkungen von Reliefänderungen auf die tektonisch-topographische Entwicklung konvergenter Plattenränder erheblich zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen