, Volume 74, Issue 2, pp 251-266

Die pazifisch-antipazifische Bipolarität im Strukturbild der Erde und ihre geodynamische Deutung

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Zusammenfassung

Neue Untersuchungen über das Residualgeoid und laterale Variationen seismischer Geschwindigkeiten im unteren Mantel lassen in der Struktur des Erdmantels dieselbe pazifisch-antipazifische hemisphärische Symmetrie oder Bipolarität erkennen, welche auch im geotektonischen Struktur- und Bewegungsbild und in dem daraus abgeleiteten geotektonischen Referenzsystem (GRS), definiert durch den Pazifischen Pol P bei 170°W/O°N und den Afrikanischen Pol A bei 10°E/O°N, zum Ausdruck kommt. Nach den Ergebnissen seismologischer Untersuchungen (Dziewonski, 1984) ist sowohl im Gebiet des zentralen Pazifik als auch unter der Afrikanischen Platte im unteren Mantel, in 1000–2900 km Tiefe, relativ warmes und weniger dichtes Material vorhanden, das eine Tendenz zu aufsteigender Bewegung besitzt. In denselben Gebieten, d. h. im Gebiet der Pole P und A, wurde seinerzeit aufgrund geotektonischer Untersuchungen ebenfalls eine aufsteigende Strömung im Erdmantel postuliert und daraus ein Modell mantelweiter, quadrupolarer Konvektion, bestehend aus zwei Konvektionszellen mit gemeinsamer Symmetrieachse PA in der Äquatorialebene, abgeleitet. Dieses Konvektionsmodell steht in guter Übereinstimmung mit den neuen seismologischen und geodätischen Befunden und erfährt durch sie eine zusätzliche, vertiefte Begründung. Das Residualgeoid kann als Ergebnis einer unvollständigen Kompensation der sich überlagernden, entgegengesetzten Störeffekte (a) der lateralen Dichtevariationen, welche die Mantelströmungen bedingen, und (b) der durch die Strömung bedingten relativen vertikalen Verlagerung der Übergangszone zwischen unterem und oberem Mantel erklärt werden.

Die im Gebiet der Pole P und A aufsteigende und unter der Lithosphäre divergierende Mantelströmung verursacht, wie die Aufspaltung Gondwanas und die Entwicklungsgeschichte des Systems der ozeanischen Rücken im pazifischen Gebiet eindrücklich demonstrieren, ein generelles, weitreichendes Auseinanderdriften der Lithosphäre von den beiden Polen weg. Über der Konvergenzzone des bizellularen Strömungssystems, in 60°-90° Distanz von den beiden Dehnungszentren, kommt es zur Anhäufung kontinentaler Lithosphäre und zur Entstehung eines erdumfassenden, ringförmigen, über Nord- und Südpol verlaufenden Gürtels von Kontinenten (vgl. die heutige Anordnung der Kontinente Nordamerika-Südamerika-Antarktis-Australien-Asien).

Der durch den Kontinentgürtel verursachte Wärmestau bewirkt eine Störung des ursprünglichen Konvektionssystems. Das Konvektionssystem baut sich in neuer Orientierung auf mit aufsteigenden Ästen unter dem Kontinentgürtel und Symmetrieachse in der Äquatorebene. Das neue, quadrupolare Konvektionssystem führt später zur Aufspaltung des Kontinentgürtels (Geotektonischer Zyklus). Der Superkontinent Pangäa wird ebenfalls als erdumfassender, über Nord- und Südpol verlaufender Kontinentgürtel zwischen zwei Dehnungszentren Pp im Gebiet des Paläo-Pazifik und Tp im Gebiet der Paläo-Tethys, beide in antipodaler Position auf dem Äquator gelegen, interpretiert.

Zur Geodynamik ergeben sich folgende Aussagen: (I) Als Maschine für einen möglichst wirksamen Abtransport überschüssiger Wärme aus dem Erdinnern entwickelt sich im Erdmantel ein mantelweites, quadrupolares Konvektionssystem. (II) Aus Gründen der Stabilität liegt die Symmetrieachse dieses Konvektionssystems in der Äquatorebene der Erde. (III) Die Verteilung der kontinentalen Lithosphäre bestimmt (lediglich) die Orientierung der Symmetrieachse des Systems in der Äquatorebene.

Abstract

The global distribution of residual geoid heights as well as the distribution of lateral heterogeneities of P-wave velocities in the lower mantle independently reveal a fundamental Pacific-antipacific hemispherical symmetry or bipolarity in the structure of the earth's mantle. It is the same structural bipolarity which has been recognized in the global Cenozoic evolution and structure of the lithosphere. The bipolarity is well described by two poles or geotectonic centers located in antipodal position on the equator: The Pacific pole P at 170°W/O°N and the African pole A at 10°E/O°N. The seismological studies ofDziewonski (1984) predict the occurence of relatively less dense and warm material in the lower mantle (depths 1000–2900 km) in the Pacific region and under the African plate. This material has the tendency to move upward and to form a rising column of mantle convection. The model of mantle-wide, quadrupolar convection with ascending flow at poles P and A, proposed several years ago on geotectonic considerations, is in good agreement with the new geodetic and seismological data and finds additional support by them. The residual geoid results from a superposition of geoid anomalies of opposite sign caused (a) by the lateral density variations in the mantle which drive the mantle convection and (b) by the relative vertical displacement of the transition zone between lower and upper mantles due to vertical flow. The ascending and diverging flow in the mantle beneath the lithosphere of the central Pacific and under the African plate causes large-scale spreading and tectonic transport of lithosphere radially away from the two spreading centers P and A. These diverging movements are well documented by the break-up of Pangaea and by the late-Mesozoic and Cenozoic evolution of the system of oceanic ridges in the Pacific hemisphere. In the zone of converging and descending flow, at 60–90 degrees distance from the spreading centers P and A, continental lithosphere is gradually accumulated and accreted in a ring-like belt of continents extending over North Pole and South Pole (s. e.g. the present arrangement of the continents of North America - South America - Antarctica - Australia - Asia). In a later stage, due to the insulating effect of the continental lithosphere, the descending flow is disturbed and dies. Quadrupolar convection evolves in a new orientation with columns of ascending flow beneath the continental belt and axis of convection motion in the equatorial plane. The ascending flow, finally, disrupts the continental belt: A new geotectonic cycle is initiated. Similarly, the supercontinent Pangaea is interpreted as a circular belt of continental lithosphere, trending over Palaeo-North Pole and Palaeo-South Pole, which accumulated in the zone of converging flow of a quadrupolar convection system defined by two spreading centers Tp in the Palaeo-Tethys region and Pp in the Palaeo-Pacific region, both located in antipodal position on the equator.

The demonstration of a fundamental Pacific-antipacific bipolarity in the structure of the earth's mantle leads to the following conclusions with regard to mantle convection and geodynamic processes: (I) Quadrupolar, mantle-wide convection is generated in the earth's mantle in order to carry on and release excessive, endogenous heat of the earth most effectively. (II) For stability reasons the quadrupolar convective system evolves in such a way that its axis of symmetry lies in the equatorial plane of the earth. (III) The distribution of continental lithosphere determines, merely, the orientation of the axis of symmetry of convective flow within the equatorial plane.

Résumé

Des recherches récentes sur le géoïde résiduel et les variations latérales des vitesses sismiques dans le manteau inférieur révèlent, dans la structure du manteau, une symétrie (ou bipolarité) hémisphérique pacifique-antipacifique. C'est la même bipolarité qui a été reconnue dans la structure et l'évolution cénozoique de la lithosphère. Elle est définie par deux pôles, ou centres géotectoniques: le pôle pacifique P par 170° W/0° N et le pôle africain A par 10°E/0°N. Les investigations séismologiques deDziewonski (1984) conduisent à admettre, tant sous le Pacifique central que sous la plaque africaine, l'existence dans le manteau, entre 1000 et 2900 km de profondeur, de matière relativement chaude et de faible densité. Ces matières tendent à s'élever et à former une colonne ascendante de convection. Il y a quelques années, à partir de considérations géotectoniques, a été élaboré un modèle de convection quadripolaire, admettant deux cellules de convection avec axe de symétrie PA commun dans le plan de l'équateur. Les nouvelles données géodésiques et sismiques rappelées plus haut sont en complet accord avec ce modèle et lui apportent donc une importante confirmation. Le géoïde résiduel peut être expliqué comme le résultat de la compensation imparfaite d'anomalies de signes contraires dues: a) aux variations latérales de densité qui provoquent les courants mantéliques; b) au déplacement vertical relatif de la zone de transition manteau supérieur/manteau inférieur, provoqué par les courants verticaux.

Les courants qui, sous les pôles P et A, montent dans le manteau puis divergent sous la lithosphere provoquent la fragmentation et la dispersion centrifuge de celle-ci. Ces mouvements divergents sont bien représentés par la rupture de la Pangée et par l'évolution du système des dorsales océaniques de l'hémisphère pacifique. Au droit des zones de convergence du système de convection bicellulaire, zones occupées par les courants descendants, soit à des distances de 60° à 90° des centres d'expansion P et A, la lithosphère continentale se rassemble progressivement et s'agglomère sous la forme d'une ceinture annulaire de continents passant par le pôle N et le pôle S (voir la distribution actuelle: Amérique du N - Amérique du S - Antarctique - Australie - Asie). L'accumulation de chaleur résultant de cette ceinture de continents, provoque une perturbation du système de convection original. Celui-ci se réorganise, avec courants ascendants sous la ceinture et axe de symétrie dans le plan de l'équateur. Le nouveau système quadripolaire ainsi établi amène plus tard à la dislocation de la ceinture, c'est-à-dire au départ d'un nouveau cycle géotectonique. Dans cet ordre d'idées, le supercontinent Pangée peut être considéré comme une ceinture circulaire de lithosphère continentale passant par les deux paléo-pôles N et S et résultant d'une accrétion à partier de deux paléo-centres de dispersion: Tp dans la paléo-Téthys et Pp dans le paléo-Pacifique, situés aux antipodes l'un de l'autre sur l'équateur.

Au point de vue géodynamique, on peut avancer que: (I) un système quadripolaire de convection dans le manteau représente le dispositif le plus efficace d'évagcuation de la chaleur interne excédentaire de la Terre; (II) pour des raisons de stabilité, l'axe de symétrie de ce système se trouve dans le plan équatorial de la Terre; (III) la distribution de la lithosphère continentale détermine la position de l'axe de symétrie dans le plan de l'équateur.