D8 Geologische numerische Modellierung

Thema

Die geologische numerische Modellierung löst die Differentialgleichungen, die die physikalischen Prozesse der festen Erde beschreiben, auf einem Gitter, das den Raum in eine große Anzahl diskreter Elemente unterteilt. Je nach Problemstellung kommen dabei die Finite-Elemente-Methode, die Finite-Differenzen-Methode oder die Randelementmethode zum Einsatz. Die geologische numerische Modellierung ist die einzige Methode, die die reale geometrische Komplexität der Erde mit der nichtlinearen Physik ihrer inneren Prozesse integrieren kann. Dies ermöglicht die Untersuchung eines gesamten Parameterraums und die Überprüfung von Hypothesen, die andernfalls nicht direkt verifiziert werden könnten.

Ein Mantelströmungsmodell löst dieselben Gleichungen, die die Strömung einer inkompressiblen, viskosen Flüssigkeit beschreiben. Die Viskosität dieser Flüssigkeit ist nicht konstant, sondern hängt exponentiell von Temperatur und Druck an jedem Punkt im Mantel ab. In diesem Modell wird der Druckgradient an jedem Punkt durch den viskosen Widerstand des Mantels selbst ausgeglichen. Die Massenerhaltung erfordert, dass die Mantelströmung das Material an keinem Punkt ihres Weges komprimiert oder expandiert. Die Viskositätsskala des Erdmantels ist enorm lang und liegt in der Größenordnung von einer bis hundert Milliarden Jahren. So lang, dass die Trägheit des Mantels im Vergleich zu diesem viskosen Widerstand völlig irrelevant ist. Daher fließt der Mantel in einem sogenannten Kriechregime – demselben Regime, in dem sich kalter Honig bewegt, wenn er sehr langsam eingegossen wird. Die dynamische seismische Bruchmodellierung löst die elastischen Wellengleichungen im Gesteinsmedium zusammen mit einem konstitutiven Reibungsgesetz auf der Bruchfläche selbst. Dieses Gesetz macht die Bruchreibung von der Gleitgeschwindigkeit und dem inneren Zustand der Bruchfläche abhängig. Alternativ kann auch ein Gesetz verwendet werden, nach dem die Reibung mit fortschreitender Gleitgeschwindigkeit abnimmt. Beide Gesetze bestimmen, wie sich die Bruchreibung während eines Erdbebens entwickelt.

Die Modellierung des Sedimenttransports verwendet ein Gesetz, das die fluviale Erosion mit dem Wasserfluss und dem Gefälle des Gerinnes in Beziehung setzt, sowie Diffusion, die Gefälle im Laufe der Zeit glättet, und Modelle, die die Sedimentablagerung in einem Becken beschreiben, um die Entwicklung einer gesamten Landschaft über Millionen von Jahren zu simulieren.

Maschinelles Lernen, insbesondere mithilfe von Faltungs- und Transformer-Neuronalen Netzen, wird heute sowohl zur Erkennung seismischer Phasen in kontinuierlichen Seismogrammen eingesetzt – mit einer Genauigkeit, die die menschlichen Fähigkeiten übertrifft – als auch zur automatischen lithologischen Klassifizierung von Gesteinskernbildern. Zusammen mit den zuvor beschriebenen Modellen für Mantelströmung, seismische Bruchprozesse und Sedimenttransport vervollständigt dies das Instrumentarium, mit dem die geologische numerische Modellierung Hypothesen untersucht, die andernfalls nicht überprüfbar wären – das Instrument, mit dem diese Beschreibung begann.

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