Mantelplumes sind wesentliche Bestandteile des Konvektionssystems der Erde, die den Vulkanismus innerhalb der Platte, große Eruptivprovinzen und den Wärmetransport im Mantel antreiben. Diese Aufströme weisen unterschiedliche Geometrien auf, die von einfachen zylindrischen Formen bis hin zu komplexen Konfigurationen reichen. Jüngste Fortschritte in der seismischen Bildgebung und hochauflösende geophysikalische Beobachtungen haben komplizierte Plume-Strukturen offenbart, wie das baumartige Plume-System unter der Region Afrika-Indischer Ozean. Einige Studien deuten darauf hin, dass diese Strukturen aus mehreren Niedriggeschwindigkeitsleitungen bestehen könnten, die durch horizontale Ponding-Zonen miteinander verbunden sind und durch Faktoren wie Plattenbewegungen, Subduktionsdynamik und Mantelströmungsmuster beeinflusst werden.

Um diese Komplexität zu bewältigen, schlagen wir einen globalen Ansatz zur Modellierung der Mantelkonvektion vor, um die Dynamik und Entwicklung baumartiger Plume Strukturen zu untersuchen. Unsere Simulationen integrieren die wichtigsten geodynamischen Prozesse, einschließlich Kontinentaldrift, Plattensubduktion und Auftrieb von Mantelplumes in einem selbstkonsistenten numerischen Rahmen. Durch das Testen verschiedener Clapeyron-Steigungen für Mantelphasenübergänge und die Quantifizierung von Parametern wie Plume Fluss, Auftrieb, Temperaturanomalien und Schmelzverhalten wollen wir die Mechanismen zur Formung von baumartigen Plumes aufklären. Von den Ergebnissen dieser Studie wird erwartet, dass diese neue Einblicke in das Zusammenspiel von Plattentektonik und Mantelkonvektion liefern und unser Verständnis der Plume-Morphologie und ihrer Rolle im dynamischen System der Erde verbessern.

Das European Plate Observing System (EPOS) ist die einzige europaweit vertriebene Forschungsinfrastruktur (RI) für die Wissenschaft der festen Erde, die einen offenen Zugang zu hochwertigen, multidisziplinären Daten, Produkten und Diensten ermöglicht. Basierend auf den Erfolgen der vorangegangenen EU-Projekte zur Konzeption, Implementierung und zum Vorbetrieb der EPOS RI wird das EPOS ON-Projekt die Konsolidierung der Infrastruktur unterstützen und den Weg für ihre weitere Entwicklung ebnen. Das Projekt wird die EPOS RI in die Lage versetzen, die Bedingungen für einen langfristigen, nachhaltigen Betrieb zu erfüllen, der sich auf seine Fähigkeit stützt, einen Mehrwert für die Wissenschaft und die IT-Gemeinschaft zu schaffen und neue Erkenntnisse zu gewinnen, die zur Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Risikomanagement und der Verringerung von Umweltauswirkungen beitragen.

EPOS ON zielt insbesondere darauf ab, das Portfolio der EPOS-Dienste zu erweitern, neue institutionelle und wissenschaftliche Kooperationen zu entwickeln, indem die Bedürfnisse verschiedener Gemeinschaften erfüllt werden, das Engagement der Nutzer zu erhöhen, die Kluft zwischen Wissenschaft und Privatsektor zu verringern, indem Wissenstransfer und technologische Innovation ermöglicht werden, und die Zusammenarbeit von EPOS mit außereuropäischen Forschungsinfrastrukturen zu stärken.

Das Projektkonsortium umfasst 34 europäische Institutionen, wobei Deutschland durch das GFZ-Potsdam vertreten ist. Die Sektion 2.5 leitet die Aufgabe 2.2 "Integration neuer Gemeinschaften und Interessengruppen in die EPOS RI", indem sie ihre eigenen Erfahrungen bei der Einrichtung eines neuen EPOS Thematischen Kerndienstes "Tsunami" weitergibt. Darüber hinaus wird die Sektion 2.5 in das Arbeitspaket 3 "Beitrag zur Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen", die Aufgabe "Tsunami-Frühwarndienste" und mehrere andere Aufgaben in fast allen Arbeitspaketen eingebunden.

Das Verbundprojekt MULTI-MAREX  - A living lab for improved forecasting and possible actions for multiple extreme geomarine events - wird ein Lebendlabor zur Erforschung geologischer Extremereignisse und damit verbundener Gefahren schaffen, um das notwendige Wissen für den Umgang mit diesen Gefahren auf verschiedenen Ebenen zu entwickeln. Im Rahmen des Forschungsauftrags "Marine Extremereignisse und Naturgefahren" der Deutschen Meeresforschungs-Allianz (DAM) wird im Verbundprojekt MULTI-MAREX ein Lebendlabor zur Erforschung mariner geologischer Extremereignisse und damit verbundener Gefahren in Griechenland eingerichtet. Geomarine Extremereignisse, einschließlich Erdbeben und vulkanogener oder seismogener Tsunamis und deren Kaskadenereignisse, haben schwerwiegende kurz- und langfristige Folgen für Küstengemeinden. Frühwarnung und Katastrophenschutz stellen sowohl gesellschaftliche als auch politische Herausforderungen dar, für die das gemeinsame Projekt das notwendige Fachwissen entwickelt, um mit diesen Gefahren auf verschiedenen Ebenen umzugehen.

Gemeinsam mit Forschern aus verschiedenen Fachbereichen, die im Sinne eines Co-Designs eng mit den Behörden und der lokalen Bevölkerung zusammenarbeiten, wird das MULTI-MAREX-Konsortium Schutzmaßnahmen entwickeln, damit nicht nur die Küstengemeinden, sondern auch die Touristenzentren wirksam vor Extremereignissen geschützt werden.

Das Projektkonsortium umfasst 8 deutsche Institutionen und 5 assoziierte Partner. Die Sektion 2.5 leitet die Aufgabe 4.1 "Unerforschte Tsunami-Szenarien für das zentrale Mittelmeer", die die Erstellung einer Datenbank von erdbeben- und vulkanbedingten Tsunamis mit Schwerpunkt auf der zentralen Ägäis vorsieht.

Das Auftreten von drei kontinentalen Rift-Armen an einem einzigen Punkt führt zur Bildung einer sogenannten Rift-Rift-Rift Triple Junction. Triple Junctions gehören zu den bemerkenswertesten Merkmalen der globalen Plattentektonik, aber ihre Entstehung, Entwicklung und Beziehung zum Magmatismus und zur Dynamik des Erdmantels bleiben umstritten. Bislang stammen die meisten unserer Erkenntnisse über die Entstehung und Stabilität von Triple Junctions aus Studien zur Plattenkinematik. Diese kinematischen Modelle können jedoch nicht die Dynamik von Ursache und Wirkung in Bezug auf die gemeinsame Entwicklung von Verwerfungen, Topographie, Oberflächenprozessen, Magmatismus und Plattenbewegungen erfassen. Die gemeinsame Interpretation von numerischen Modellen und Beobachtungsdaten hat das Potenzial, die Art von Dreifachverzweigungen in einem noch nie dagewesenen Ausmaß zu erklären.

Hier verwenden wir einen multidisziplinären Ansatz, der ein hochmodernes numerisches 3D-Lithosphärenmodell mit geologischen und geophysikalischen Daten aus einzigartigen tektonischen Feldlabors wie dem derzeit aktiven Afar Dreieck in Ostafrika (A) und der kreidezeitlichen Äquatorial-Atlantischen Triple Junction (B) kombiniert. Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle und das Zusammenspiel von Schlüsselprozessen bei der Formung von Triple Junctions vom Erdmantel bis zur Oberfläche zu beschreiben. Unsere Ergebnisse werden zu einem Verständnis der komplexen räumlichen und zeitlichen Entwicklung dieser einzigartigen tektonischen Strukturen weltweit beitragen

Segmentierung von ozeanischen Spreizungsrücken tritt häufig in der Natur auf. Die Länge dieser Segmente liegt zwischen einigen wenigen und bis zu Hunderten von Kilometern. Vorherige Beobachtungen haben gezeigt, dass die Segmentierung durch Faktoren wie Spreizungsgeschwindigkeit, ererbte Strukturen, Mantelfluss und die Interaktion mit Mantel-Plumes gesteuert wird. In diesem Projekt verwenden wir eine 3D-Modellierungssoftware (I3ELVIS) zur Simulation der Segmentierung von Spreizungsrücken, um die relativen Auswirkungen dieser Faktoren zu untersuchen. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse zum Verständnis von Beobachtungen in den Ozeanen weltweit (z. B. Nordatlantik, Ostpazifik, Südwestindischer Ozean) beitragen.

Klima-CO2-Emissionsmodelle zeigen, dass die europäische Gesellschaft dringend von kohlenstoffreichen auf kohlenstoffarme Energiequellen umsteigen muss. Aus diesem Grund untersuchen wir kontinentale Rifts, Vorreitergebiete für die Kohlenstoffabscheidung, geothermische Energie und neue Ressourcen wie nativen Wasserstoff. Die Ziele des von der EU finanzierten Marie-Skłodowska-Curie-Doktorandennetzwerks TALENTS sind (1) die Verbesserung unseres Verständnisses der Entstehung von Rifts, des Zerbrechens von Kontinenten und des Zusammenhangs zwischen Rifts, gesellschaftlichen Nutzen und Georisiken, (2) die Ausbildung von 12 Doktoranden in wissenschaftlichen, vernetzten, kommunikativen und unternehmerischen Fähigkeiten im Zusammenhang mit der Energiewende und (3) der Aufbau eines Kooperationsnetzwerks, das sicherstellt, dass Ergebnisse und Einsichten mit der Wissenschaft, der Industrie und der Gesellschaft geteilt werden.

Das TALENTS-Netz umfasst 7 Beneficiaries, 10 akademische Partner, 11 Industriepartner, 11 Medienkontakte und insgesamt mehr als 70 Personen mit hochgradig komplementärem Fachwissen. Weitere Informationen auf: https://www.talents-dn.eu/

Geologische Prozesse haben in der Vergangenheit große CO₂-Schwankungen verursacht und das Klima beeinflusst. In jüngsten Untersuchungen wurden massive CO₂-Emissionen an kontinentalen Grabenbrüchen festgestellt. Das Projekt EMERGE verknüpft drei innovative Ansätze, um solche CO₂-Ausgasungen zu messen und zu modellieren. Zum einen messen wir mithilfe von Drohinnovativen Methoden die CO₂-Flüsse an Grabenbrüchen in Europa und Ostafrika. Darüber hinaus werden neue Modellierungstechniken entwickelt, mit denen der Einfluss von geodynamischen Prozessen auf den Kohlenstofftransport in der Lithosphäre untersucht wird. Ein dritter Ansatz ist die Integration von Daten der letzten 540 Millionen Jahre aller bekannten Grabenbrüche weltweit. Dadurch kann der Einfluss der CO₂ Entgasung durch das Zerbrechen von Erdplatten auf die langfristige Klimaentwicklung ermittelt werden.

Das seit Oktober 2022 von der Europäischen Kommission finanzierte Projekt Geo-INQUIRE bietet der internationalen Forschungsgemeinschaft sogennante Virtual und Transnational Zugänge (VA und TA) zu etwa 150 Einrichtungen, die von 51 europäischen Konsortium-Partnernbetrieben werden - darunter nationalen Forschungszentren, Universitäten, nationalen geologischen Landesvermessungen und europäischen Forschungsinfrastrukturkonsortien wie EPOS, EMSO und ECCSEL sowie dem EU-Exzellenzzentrum für Exascale in Solid Earth (ChEESE). Das auf vier Jahre angelegte Projekt zielt darauf ab, die Bereitstellung von Daten und Diensten weiter zu verbessern und zu harmonisieren, die Multidisziplinarität und Interoperabilität zu stärken, um bereichsübergreifende Barrieren zu überwinden, insbesondere an der Schnittstelle Land-See-Atmosphäre. Die Integration verschiedener Daten, einschließlich neuer Beobachtungsdaten, Produkte und Dienste, wird durch TA-Aktivitäten in sieben multidisziplinären Testumgebungen sowie durch offene Schulungsworkshops und Sommerschulen optimiert und demonstriert.

Letztlich zielt Geo-INQUIRE darauf ab, die nächste Generation von GeowissenschaftlerInnen in die Lage zu versetzen, Spitzenforschung zur Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen aus einer multidisziplinären Perspektive zu betreiben und dabei die verfügbaren Geoforschungsinfrastrukturen intelligent zu nutzen.

Die Sektion 2.5 leistet einen Beitrag zur Koordinierung des Geo-INQUIRE-Arbeitspakets WP5: "Next generation software access and workflow as a service" sowie zur Entwicklung und Bereitstellung des neuen virtuellen Zugangs (VA) zum Sofort-Tsunami-Modellierungswerkzeug "Gaussian Toolbox". Dieser Dienst ist ein gemeinsames Produkt mit den Kollegen des INGV (Italien); er implementiert das Konzept der Green'schen Meeresoberflächen-Tsunami-Funktionen zur sofortigen Quantitätsbestimmung der Tsunami-Wellenhöhen an der Küste für beliebige seismische Quellen im Mittelmeerraum.

Der im Westen Deutschlands gelegene Eifel-Hotspot ist seit mehreren zehn Millionen Jahren vulkanisch aktiv. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Quelle dieser langfristigen vulkanischen Aktivitäten ein Plume ist, sichtbar im oberen Mantel und in einigen Modellen des unteren Mantels. Allerdings ist der tiefe Ursprung des Plumes nach wie vor umstritten, da die Tomographie-Bilder nicht durchgängig einen kontinuierlichen Plumekanal zwischen der Oberfläche und der Kern-Mantel-Grenze zeigen und der Eifel-Hotspot nicht mit einer Flutbasaltprovinz oder einer eindeutig altersabhängigen Hotspot-Spur verbunden ist. Es wurde auch vorgeschlagen, dass es eine stagnierende Platte in der Mantelübergangszone gibt, die durch die alpin-mediterrane Subduktionszone entstanden ist. Diese stagnierende Platte könnte mit dem Eifelplume in Wechselwirkung stehen, doch wurde diese Wirkungsweise bisher noch nicht im Detail mit einem geodynamischen Ansatz untersucht. Darüber hinaus könnten der Aufstieg des Eifelplumes und die anderen sublithosphärischen Triebkräfte der vertikalen Bewegung (wie kantengetriebene Konvektion oder Abkühlung und Akkretion des sublithosphärischen Mantels) sowie die Lithosphärendeformation eine dynamische Topographie an der Erdoberfläche in Mitteleuropa verursachen. Allerdings sind die jeweiligen Beiträge dieser Prozesse während des Känozoikums bisher noch umstritten.

In diesem Projekt werde ich die geodynamische Forschungssoftware ASPECT einsetzen, um auf lithosphärischer Skala die Reaktion der Oberfläche Mitteleuropas auf das Zusammentreffen von Plumes, kleinräumiger Konvektion und plattentektonischem Antrieb zu modellieren, und zu versuchen, die heutige Topographie in einzelne Komponenten zu zerlegen. Außerdem werde ich 3D-Modelle mit hoher Auflösung und komplexen Rheologien durchführen, um die möglichen Ursprünge des Eifel-Hotspots zu erklären und zu untersuchen, wie der Plume und die stagnierende Erdplatte miteinander interagieren.

Alexander Sobolev (IsTerre, Grenoble), Stephan Sobolev (GFZ Potsdam, Deutschland) und John Valley (University of Wisconsin, Madison, USA) haben einen ERC (European Research Council) Synergy Grant in Höhe von 12,8 Millionen Euro über sechs Jahre (2020-2026) erhalten, um die Entwicklung der chemischen Zusammensetzung der Erde und die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse von vor 4,4 Milliarden Jahren bis heute in einem Projekt mit dem Titel "Monitoring Earth Evolution through Time" (MEET) zu untersuchen.

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Ein Digital Twin (Deutsch: "Digitaler Zwilling") für GEO-physikalische Extreme (DT-GEO) ist ein europäisches Projekt, das darauf abzielt, die Auswirkungen von Tsunamis, Erdbeben, Vulkanen und anthropogener Seismizität zu analysieren und vorherzusagen. Hauptziel von DT-GEO ist es, einen präoperativen Prototyp des Digital Twins zu entwickeln, der aus zwölf eigenständigen Zwillingskomponenten (DTCs) besteht, die sich mit spezifischen gefährlichen Phänomenen befassen, um sie später in die Initiative „Destination Earth“ zu integrieren. Die DTCs werden Echtzeitdatenströme und realitätsgetreue Modelle kombinieren, um präzise datengestützte Frühwarnung, Vorhersagen und Gefahrenabschätzungen über mehrere Zeitskalen hinweg durchzuführen. Vorgesehen ist auch die Integration von Projektressourcen und -ergebnissen in die Forschungsinfrastrukturen „European Plate Observing System“ (EPOS) und „HPC/virtuelles Cloud Computing“ (EuroHPC).

Sektion 2.5 befasst sich mit der Entwicklung der DT-GEO Zwillingskomponente DTC-T1, die den Arbeitsablauf der neuartigen Tsunami-Vorhersagemethode Probabilistic Tsunami Forecasting (PTF) implementiert. Der Arbeitsablauf ist für den Einsatz in Tsunami-Frühwarnzentren vorgesehen. Er liefert Wahrscheinlichkeiten für das Überschreiten bestimmter Tsunami-Intensitäten an bestimmten Küstenstandorten. PTF führt eine Datenassimilation von (fast) Echtzeit-Erdbeben- und Tsunami-Beobachtungen in den Tsunami-Simulations-Workflow durch, der mit Gruppen von vorberechneten oder "on-the-fly" simulierten Tsunami-Ausbreitungsszenarien arbeitet.

Bei den laufenden Bemühungen um die Entwicklung neuer, umweltfreundlicher Ressourcen und Energieerzeugung wurde das Potenzial des natürlich vorkommenden Wasserstoffs, der durch die Alteration (Serpentinisierung) von tektonisch freigesetztem Mantelgestein entsteht, bislang weitgehend übersehen. Die Hebung von Mantelmaterial kann während des Riftings und des Zerbrechens von Kontinenten, aber auch während der Gebirgsbildungsphasen erfolgen. Um die Möglichkeiten der natürlichen Wasserstoffgewinnung besser einschätzen zu können, müssen wir unser Verständnis der tektonischen Prozesse verbessern, die zu der Anhebung von Mantelgestein führen.

Dieses Projekt sieht den Einsatz numerisch-tektonischer Modellierungstechniken vor, um die Prozesse der Mantelanhebung unter Berücksichtigung des Einflusses der strukturell ererbten Schwächezonen, Druck- und Temperaturentwicklung des freigesetzten Mantelmaterials im Laufe der Zeit sowie die Bedeutung von Oberflächenprozessen und das Vorhandensein von Reservoiren zu entschlüsseln. Anschließend sollen diese Modellierungsergebnisse zur Interpretation der tektonischen Geschichte verschiedener Regionen (z. B. Pyrenäen, Offshore-Iberien, europäische Alpen) herangezogen werden, um die Realisierung der natürlichen Wasserstoffgewinnung in diesen Gebieten zu bewerten.

Wie an vielen passiven Rändern der Welt, ist auch im Südchinesischen Meer (SCS) eine komplexe tektonische Geschichte zu beobachten. Dazu gehören die Lokalisierung des Rifts, die Ausdünnung der Lithosphäre, das Auseinanderbrechen des Kontinents und die Ausbreitung des Meeresbodens. Offensichtlich wurde die tektonische Geschichte des Südchinesischen Meeres durch regionale Schlüsselfaktoren wie mesozoische Strukturen und das ursprüngliche thermische Regime einer Gebirgs-Umgebung beeinflusst. Eine kürzlich durchgeführte IODP Expedition lieferte überzeugende Beweise dafür, dass die üblichen Endszenarien von magmareichen oder magmaarmen gerifteten Kontinentalrändern für das SCS nicht zutreffen. Basierend auf den aktuellen Forschungsergebnissen beschäftigt sich dieses Projekt mit der Frage, wie ererbte Strukturen zur tektonischen Entwicklung und Gestaltung der SCS-Grabenränder beigetragen haben. Dabei werden modernste numerische Modellierungstechniken, sowie skalenübergreifende geodynamische und thermische Untersuchungen der SCS angewendet.

Dieses Projekt verfolgt das Ziel, die Dynamik der großen Regionen mit niedrigen Schergeschwindigkeiten (LLSVPs), ihr Deformationsmuster und ihre Zusammensetzung mit Hilfe der Scherwellenanisotropie des untersten Erdmantels einzugrenzen. Der unterste Erdmantel, insbesondere die D"-Schicht, ist sehr schwer zu erforschen, da es in dieser großen Tiefe nur wenige seismische Beobachtungen gibt. Die beiden LLSVPs in der D"-Schicht weisen im Unterschied zu dem umgebenden Erdmantel charakteristische physikalisch-chemische Eigenschaften auf.

Obwohl die Plumes von diesen Strukturen entstammen, ist die Zusammensetzung jedoch nicht identisch. Mit Hilfe numerischer 3D-Modellierung der Mantelkonvektion werde ich die seismische Anisotropie modellieren, die durch verschiedene Deformationsmechanismen im unteren Erdmantel entsteht und sie mit den Beobachtungen vergleichen. Die Deformationsmechanismen und das Fließmuster werden uns Aufschluss über die rheologischen Eigenschaften und die Dichtestruktur der LLSVPs geben. Darüber hinaus werde ich auch versuchen, die geochemische Zusammensetzung der D"-Schicht mit Schwerpunkt auf LLSVPs zu untersuchen.

Das Rossmeer-Geoidtief (RSGL) ist ein sehr aufälliges Bestandteil im globalen Geoidmuster. Trotz einiger früherer Studien über den Ursprung des RSGL (Spasojevic et al., Nature Geoscience, 3, 435-438, 2010; Sutherland et al., Geology, 38, 155-158, 2010) und starker Hinweise darauf, dass es einen Auftrieb von heißem Material im oberen Erdmantel unter der Westantarktis gibt, bleibt unklar, wodurch es verursacht wird.

Ich werde numerische Simulationen verwenden, um die durch Mantelkonvektion verursachten Geoidanomalien zu modellieren, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Rossmeer, unter der Leitung von Dr. Bernhard Steinberger. Außerdem werden wir versuchen, eine heutige Dichtestruktur zu konstruieren, die geeignet ist, die durch Mantelkonvektion in diesem Gebiet verursachte Geoid- und dynamische Topographie zu erklären, und die sowohl mit geodynamischen Vorwärtsrechnungen als auch mit seismischer Tomographie konsistent ist. Durch den Vergleich von modellierten Geoidanomalien und Beobachtungen werden wir die Zuverlässigkeit unserer Ergebnisse bewerten und eine Erklärung für den Ursprung von RSGL liefern.