E3 Rheologie von Mantel und Kruste

Thema

Die Rheologie beschreibt das Verformungsverhalten von Materialien unter Belastung. Im Erdinneren kann sich ein und dasselbe Material wie ein elastischer Festkörper verhalten, wenn eine seismische Welle es in Millisekunden durchdringt, wie ein viskoses Material, wenn es über Jahrtausende auf isostatische Rückfederung reagiert, oder wie ein plastisches Material, das sich bei der Mantelkonvektion über Millionen von Jahren nahezu flüssig verhält. Welches dieser drei Verhaltensweisen überwiegt, hängt davon ab, wie die Zeitskala des Prozesses selbst mit einer charakteristischen Relaxationszeit des Materials verglichen wird – einer Zeit, die vom Verhältnis zwischen der Viskosität und der elastischen Steifigkeit des Materials abhängt. Das Kriechen von Mineralien wie Olivin im festen Zustand folgt einem etablierten empirischen Gesetz, das exponentiell mit der Temperatur korreliert: Je höher die Temperatur des Minerals und je kleiner seine Korngröße, desto leichter fließt das Mineral und folglich auch der gesamte Mantel, aus dem dieses Mineral besteht.

Die außerordentlich hohe Viskosität des oberen Erdmantels, in der Größenordnung von einer Billiarde Pascal pro Sekunde, bestimmt die Geschwindigkeit der postglazialen isostatischen Hebung: Skandinavien beispielsweise hebt sich noch heute um etwa einen Zentimeter pro Jahr, mehr als zehntausend Jahre nachdem sich das pleistozäne Eis aus dieser Region zurückgezogen hat, mit einer charakteristischen Relaxationszeit von etwa viertausendfünfhundert Jahren.

Die lithosphärische Biegung beschreibt ihrerseits, wie sich die Lithosphäre unter dem Gewicht einer topografischen Last biegt, sei es ein Gebirge, ein Vulkan oder eine Sedimentablagerung. Die Wellenlänge dieser Auslenkung hängt von der Steifigkeit der Lithosphäre selbst ab, und diese Steifigkeit wiederum von der effektiven elastischen Dicke der Lithosphäre an diesem Punkt. Diese Dicke variiert je nach thermischem Alter der Lithosphäre zwischen fünf und einhundertzwanzig Kilometern. Damit wird der Zusammenhang zwischen den verschiedenen rheologischen Verhaltensweisen, mit denen diese Beschreibung begann, und der spezifischen Art und Weise, wie die Lithosphäre auf die einwirkenden Lasten reagiert, hergestellt.

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