Computermodelle helfen Wissenschaftlern, ein rätselhaftes Verformungsmuster unter dem Ostafrikanischen Grabenbruchsystem zu erklären. Die Ergebnisse deuten auf den Afrikanischen Superplume hin, ein gewaltiges Aufsteigen heißen Mantelmaterials tief im Erdinneren, als Ursache für ungewöhnliche Bewegungen, die parallel zum Grabenbruch verlaufen, sowie für ein passendes Muster in der Art, wie seismische Wellen durch die Gesteine darunter wandern.

Kontinentales Rifting tritt auf, wenn die starre äußere Hülle der Erde beginnt, sich zu dehnen und zu verdünnen. Diese äußere Hülle, Lithosphäre genannt, umfasst die Kruste und den obersten Teil des Mantels. Wenn die Lithosphäre auseinandergezogen wird, kann sie sich je nach Geschwindigkeit und Ort der Spannung unterschiedlich verhalten. In der Nähe der Oberfläche können Gesteine brechen, was Verwerfungen und Erdbeben erzeugt. In größerer Tiefe kann heißeres Material allmählicher verformt werden.

Die Geophysikerin D. Sarah Stamps vergleicht diese unterschiedlichen Verhaltensweisen mit Silly Putty. „Wenn man mit einem Hammer auf Silly Putty schlägt, kann es tatsächlich reißen und brechen“, sagte Stamps, außerordentliche Professorin am Department of Geosciences, das Teil des Virginia Tech College of Science ist. „Aber wenn man es langsam auseinanderzieht, dehnt sich das Silly Putty. Auf verschiedenen Zeitskalen verhält sich die Lithosphäre der Erde also unterschiedlich.“

In den meisten kontinentalen Grabenbrüchen folgt die Verformung einem relativ vorhersehbaren Muster. Die stärkste Bewegung erfolgt im Allgemeinen senkrecht zum Grabenbruch, in Richtung des Auseinanderziehens der Kruste. Das Ostafrikanische Grabenbruchsystem, das größte kontinentale Grabenbruchsystem der Erde, zeigt tatsächlich diese erwartete senkrechte Verformung. Aber Stamps fand nach mehr als 12 Jahren GPS-Messungen noch etwas anderes: Teile der Region verformten sich auch parallel zum Grabenbruch selbst. Diese unerwartete Bewegung wurde zu einem zentralen Rätsel für ihr Team im Geodesy and Tectonophysics Lab.

In einer im Journal of Geophysical Research veröffentlichten Studie verwendeten die Forscher 3D-thermomechanische Modelle, um zu untersuchen, was die ungewöhnliche Verformung verursachen könnte. Die Modellierung wurde von dem Erstautor Tahiry Rajaonarison entwickelt, einem Postdoktoranden am New Mexico Tech, der seinen Ph.D. an der Virginia Tech machte, während er in Stamps‘ Labor arbeitete. Die Simulationen deuten darauf hin, dass die parallel zum Grabenbruch verlaufende Bewegung mit einer nordwärts gerichteten Mantelströmung verbunden ist, die mit dem Afrikanischen Superplume zusammenhängt.

Der Afrikanische Superplume ist eine enorme Zone aufsteigenden Mantelmaterials, die tief unter Südwestafrika beginnt und sich nordöstlich über den Kontinent erstreckt. Während er nach Norden wandert, wird er allmählich flacher unter der Oberfläche. Den Modellen zufolge kann diese tiefe Mantelströmung Verformungen erklären, die nicht in das einfachere Muster passen, das man von einem auseinandergezogenen Kontinent erwarten würde.

Die Ergebnisse liefern auch neue Beweise in einer langjährigen Debatte darüber, was das Ostafrikanische Grabenbruchsystem antreibt. Wissenschaftler haben sich im Allgemeinen auf zwei Hauptmöglichkeiten konzentriert: lithosphärische Auftriebskräfte, Mantelzugkräfte oder eine Kombination aus beiden. Lithosphärische Auftriebskräfte wirken relativ nahe der Oberfläche. Sie werden durch Unterschiede in Höhe und Dichte innerhalb der Lithosphäre beeinflusst. In Ostafrika ist ein wichtiges Merkmal der Afrikanische Superswell, eine breite Region mit ungewöhnlich hoher Topographie. Mantelzugkräfte entstehen tiefer im Erdinneren. Sie resultieren aus der Bewegung von Mantelmaterial unter der Lithosphäre und den Kräften, die das fließende Mantelmaterial auf die starre Platte darüber ausüben kann.

Stamps begann erstmals, die ungewöhnliche parallel zum Grabenbruch verlaufende Bewegung zu dokumentieren, als sie als Postdoktorandin arbeitete. Sie verwendete GPS-Stationen, die Signale von mehr als 30 Satelliten empfingen, die die Erde aus etwa 25.000 Kilometern Entfernung umkreisen. Diese Messungen waren präzise genug, um Oberflächenbewegungen im Millimeterbereich zu verfolgen. Ihre Beobachtungen verkomplizierten das bestehende Bild, weil flache Auftriebskräfte einen Großteil der erwarteten Bewegung über den Grabenbruch erklären konnten, aber nicht die Bewegung entlang des Grabens.

In einer Studie von 2021 verwendete das Team 3D-Computersimulationen, um zu testen, wie die beiden Sätze von f