Seit rund 250 Millionen Jahren verhalten sich die Auf- und Abwärtsströmungen im Erdmantel sehr stabil. Diese für die Bewegung der tektonischen Platten verantwortlichen Konvektionsströmungen im halbflüssigen Gestein unterhalb der Erdkruste konnten nun zu den Bewegungsmustern auf der Erdoberfläche in Beziehung gesetzt werden, wie in der aktuellen Ausgabe von Nature (Nr, 498, 27 June 2013) berichtet wird. Zugleich ergaben sich Hinweise darauf, dass auch die bei der Beobachtung von Erdbebenwellen festgestellten Anomalien der Wellenausbreitung im Erdmantel mit diesen Mustern verknüpft sind.

Kontinentalplatten werden durch Konvektion im darunterliegenden Erdmantel angetrieben, allerdings lässt sich das Konvektionsmuster nicht direkt bestimmen, wenn man nur die Plattenbewegungen kennt. "Die Idee war deshalb, aus Rekonstruktionen von Plattenbewegungen in der geologischen Vergangenheit Informationen zu extrahieren, die auf das darunterliegende Mantelströmungsfeld schliessen lassen", erläutert Co-Autor Bernhard Steinberger vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ. Dazu wurden zunächst zwei Bezugspunkte, Dipole, bestimmt, welche die durchschnittliche Bewegung der Platten von einer Hemisphäre weg und zur anderen hin beschreiben.

Weiterhin wurden "Quadrupole" bestimmt: Damit können die Bewegungen von zwei gegenüberliegenden Punkten weg (divergente Pole) zu zwei 90 Grad davon entfernten Punkten hin (konvergente Pole) beschrieben werden. Dipol und Quadrupol sind Bestimmungsgrößen in einer mathematischen Methode, die schon häufig zur Beschreibung physikalischer Beobachtungen, z.B. der Abläufe im Erdmagnetfeld, Anwendung fand.Dieses Verfahren wurde hier erstmals auf die Plattentektonik angewandt. Eine solche Betrachtungsweise konnte gewählt werden, weil zum gegenwärtigen Zeitpunkt Dipol und Quadrupol der Plattenbewegungen jeweils sehr gut mit den entsprechenden Größen der unterliegenden Antriebskräfte durch Strömungen im Erdmantel und in den Mantel abtauchenden Lithosphärenplatten übereinstimmt. Es liegt deshalb nahe, eine entsprechend gute Übereinstimmung auch für die Vergangenheit anzunehmen, für die es keine Möglichkeit gibt, Mantelströmungen direkt aus Beobachtungen zu ermitteln.

Diese neuartige Beschreibung der Plattentektonik ergab erstaunliche Resultate. Die Konvektionsmuster im Erdmantel erweisen sich als sehr stabil: "Gegenwärtig stimmen die konvergenten Pole gut mit großräumigen Abwärtsströmungen im Mantel überein, und die divergenten Pole mit Aufwärtsströmungen", erläutert GFZ-Forscher Steinberger. "Während der letzten 250 Millionen Jahre hat sich der konvergente Dipol immer im Gebiet von Asien befunden, während sich die divergenten Quadrupole immer in den Gebieten des gegenwärtigen östlichen Afrika und östlichen Pazifiks befunden haben. Wir schliessen daraus, dass die darunterliegenden Auf- und Abströme auch entsprechend stabil waren."

Ein weiteres Ergebnis der Studie ist, dass die in der globalen Seismologie beobachteten Geschwindigkeitsanomalien der von Erdbeben ausgehenden Scherwellen im Erdmantel mit diesen Mustern gut übereinstimmen. Die divergenten Quadrupole befinden sich jeweils oberhalb des östlichen Randes einer der grossräumigen Scherwellengeschwindigkeitsanomalien (Large Low Shear Velocity Provinces, LLSVPs) im untersten Erdmantel. Steinberger: "Unsere Ergebnisse liefern deshalb ein weiteres Indiz dafür dass die LLSVPs ebenfalls für mindestens 250 Millionen Jahre stabil in ihrer gegenwärtigen Lage waren, und möglicherweise die Mantelkonvektion aktiv beeinflussen."

Clinton P. Conrad, Bernhard Steinberger and Trond H. Torsvik, Stability of active mantle upwelling revealed by net characteristics of plate tectonics, Nature, 498, 27 June 2013, doi: 10.1038/nature12203

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