Grenze zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre

Die Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze (von Geophysikern als LAB bezeichnet ) stellt einen mechanischen Unterschied zwischen den Schichten des Erdinneren dar . Der Erdinnere lässt sich sowohl chemisch ( Kruste , Mantel und Kern ) als auch mechanisch beschreiben. Die Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze liegt zwischen der kühleren, starren Lithosphäre und der wärmeren, duktilen Asthenosphäre . Die genaue Tiefe dieser Grenze ist weiterhin Gegenstand von Diskussionen und Forschung, obwohl bekannt ist, dass sie je nach Umgebung variiert. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Die folgende Übersicht orientiert sich an den Kapiteln der Forschungsmonografie „Die Lithosphäre“ von Irina Artemieva. ^{[ 3 ]}

Die Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze (LAB) wird aus den Unterschieden in Lithosphäre und Asthenosphäre bestimmt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Unterschiede in Korngröße , chemischer Zusammensetzung, thermischen Eigenschaften und Ausmaß der Teilschmelze ; dies sind Faktoren, die die rheologischen Unterschiede in Lithosphäre und Asthenosphäre beeinflussen . ^{[ 4 ]}

Die Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze (LAB) trennt die mechanisch feste Lithosphäre von der weichen Asthenosphäre. Ihre Tiefe lässt sich anhand der Biegung der Lithosphäre unter dem Einfluss einer Oberflächenlast (z. B. durch einen Vulkan) abschätzen. ^{[ 5 ]} Biegung ist ein Indikator für Festigkeit, aber auch Erdbeben können zur Definition der Grenze zwischen „festen“ und „weichen“ Gesteinen herangezogen werden. Erdbeben treten vorwiegend in der alten, kalten Lithosphäre bei Temperaturen bis zu etwa 650 °C auf. ^{[ 5 ]} Dieses Kriterium eignet sich besonders gut für ozeanische Lithosphäre , da sich die Temperatur in der Tiefe anhand des Gesteinsalters relativ einfach abschätzen lässt. ^{[ 6 ]} Nach dieser Definition liegt die LAB am flachsten. Die MBL wird selten mit der Lithosphäre gleichgesetzt, da sie in einigen tektonisch aktiven Regionen (z. B. der Basin and Range Province ) dünner als die Kruste ist und die LAB oberhalb der Mohorovičić-Diskontinuität liegen würde .

Die Definition der Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze (LAB) als thermische Grenzschicht (TBL) basiert nicht auf der Temperatur, sondern auf dem dominanten Wärmetransportmechanismus . [ ^{7 ] Die} Lithosphäre ist aufgrund ihrer Festigkeit nicht in der Lage , Konvektionszellen zu tragen , während der darunter liegende konvektive Mantel deutlich schwächer ist. In diesem Kontext trennt die LAB die beiden Wärmetransportregime [ Wärmeleitung vs. Konvektion]. ^{[ 3 ]} Der Übergang von einem Bereich, in dem Wärme primär durch Konvektion in der Asthenosphäre transportiert wird, zur leitenden Lithosphäre ist jedoch nicht unbedingt abrupt, sondern umfasst eine breite Zone mit gemischtem oder zeitlich variablem Wärmetransport. Die Obergrenze der thermischen Grenzschicht markiert die maximale Tiefe, in der Wärme ausschließlich durch Wärmeleitung transportiert wird. Die Untergrenze der TBL ist die geringste Tiefe, in der Wärme ausschließlich durch Konvektion transportiert wird. In Tiefen innerhalb der TBL erfolgt der Wärmetransport durch eine Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion.

Die Lithosphären-Asthenosphäre-Grenzschicht (LAB) ist eine rheologische Grenzschicht (RBL). Kältere Temperaturen in geringeren Erdschichten beeinflussen die Viskosität und Festigkeit der Lithosphäre. Kälteres Material in der Lithosphäre ist strömungsresistenter, während das „wärmere“ Material in der Asthenosphäre zu deren geringerer Viskosität beiträgt . Der Temperaturanstieg mit zunehmender Tiefe wird als geothermischer Gradient bezeichnet und verläuft innerhalb der rheologischen Grenzschicht allmählich. In der Praxis wird die RBL durch die Tiefe definiert, in der die Viskosität der Mantelgesteine ​​unter einen bestimmten Wert sinkt . ^{[ 3 ]}${\displaystyle 10^{21}Pa\cdot s.}$

Mantelmaterial ist jedoch eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit , d. h. seine Viskosität hängt auch von der Deformationsrate ab. ^{[ 8 ]} Dies bedeutet, dass die Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze (LAB) ihre Position aufgrund von Spannungsänderungen verändern kann.

Another definition of the LAB involves differences in composition of the mantle at depth. Lithospheric mantle is ultramafic and has lost most of its volatile constituents, such as water, calcium, and aluminum.^[3] Knowledge of this depletion is based upon the composition of mantle xenoliths. The depth to the base of the CBL can be determined from the amount of forsterite within samples of olivine extracted from the mantle. This is because partial melting of primitive or asthenospheric mantle leaves behind a composition that is enriched in magnesium, with the depth at which the concentration of magnesium matches that of the primitive mantle being the base of the CBL.^[3]

The seismic LAB (i.e. measured using seismological observations) is defined by the observation that there exists seismically fast lithosphere (or a lithospheric lid) above a low-velocity zone (LVZ).^[3]Seismic tomographic studies suggests that the LAB is not purely thermal, but rather is affected by partial melt.^[3] The cause of the LVZ could be explained by a variety of mechanisms.^[3] One way to determine if the LVZ is generated by partial melt is to measure the electrical conductivity of the Earth as a function of depth using magnetotelluric (MT) methods. Partial melt tends to increase conductivity, in which case the LAB can be defined as a boundary between the resistive lithosphere and conductive asthenosphere.^[3]

Because mantle flow induces the alignment of minerals (such as olivine) to generate observable anisotropy in seismic waves, another definition of the seismic LAB is the boundary between the anisotropic asthenosphere and the isotropic (or a different pattern of anisotropy) lithosphere.^[9]

Die seismische Niedriggeschwindigkeitszone (LVZ) wurde erstmals von Beno Gutenberg beschrieben , dessen Name mitunter auch für die Basis der seismischen Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze (LAB) unter der ozeanischen Lithosphäre verwendet wird. ^{[ 3 ]} Die Gutenberg-Diskontinuität stimmt in vielen Studien mit der erwarteten Tiefe der LAB überein und liegt unter älterer Kruste tiefer, was die Annahme stützt, dass die Diskontinuität eng mit der LAB zusammenhängt. ^{[ 10 ]} Untersuchungen konvertierter seismischer Phasen deuten auf einen starken Abfall der Scherwellengeschwindigkeit 90–110 km unter der kontinentalen Kruste hin . ^{[ 11 ]} Neuere seismologische Studien weisen auf eine Reduktion der Scherwellengeschwindigkeit um 5 bis 10 Prozent im Tiefenbereich von 50 bis 140 km unter Ozeanbecken hin .

Unterhalb der ozeanischen Kruste variiert die Tiefe der Lithosphären-Asthenosphäre-Grenze (LAB) zwischen 50 und 140 km, außer in der Nähe mittelozeanischer Rücken , wo die LAB nicht tiefer ist als die Tiefe der neu gebildeten Kruste. ^{[ 12 ]} Seismische Daten zeigen, dass ozeanische Platten mit zunehmendem Alter dicker werden. Dies legt nahe, dass sich auch die LAB unterhalb der ozeanischen Lithosphäre mit dem Plattenalter vertieft. Daten von Ozeanseismometern deuten auf eine ausgeprägte altersabhängige LAB unter der Pazifischen und der Philippinischen Platte hin und wurden als Beleg für einen thermischen Einfluss auf die Dicke der ozeanischen Lithosphäre interpretiert. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Die kontinentale Lithosphäre enthält alte, stabile Bereiche, sogenannte Kratone . Die Lithosphäre-Alpha-Grenze (LAB) ist in diesen Regionen besonders schwer zu untersuchen. Es gibt Hinweise darauf, dass die Lithosphäre in diesem alten Teil des Kontinents am dicksten ist und unter den Kratonen sogar große Dickenschwankungen aufweist ^{[ 15 ].} Dies stützt die Theorie, dass Lithosphärendicke und LAB-Tiefe altersabhängig sind. Die Tiefe der LAB unter diesen Regionen (bestehend aus Schilden und Plattformen ) wird auf 200 bis 250 km geschätzt ^{[ 16 ]} . Unter der phanerozoischen kontinentalen Kruste liegt die LAB in etwa 100 km Tiefe ^{[ 16 ] .}