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VL Geodynamik & Tektonik, WS 080912.11.2008 Der stoffliche Aufbau des Erdinnern Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam.

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1 VL Geodynamik & Tektonik, WS Der stoffliche Aufbau des Erdinnern Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam

2 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Übersicht zur Vorlesung

3 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Beginnen wir am Anfang.. vor ~ 4.56 Mrd. Jahren courtesy of NASA/JPL-Caltech

4 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Wie kann man die Zusammensetzung der Erde bestimmen ?? naiver Ansatz: - die Erde scheibchenweise abtragen - repräsentative Proben nehmen - Proben im Labor analysieren -> Problem: - direkte Probennahme nur möglich bis ~ 10 km - eruptive entrainment Proben bis zu 200 km, evtl. bis max. 500 km Tiefe - Mantel Plumes: Advektion von Gesteinen von der Kern-Mantel-Grenze (2900 km) ? - Keine Proben existieren vom Erdkern alternativer Ansatz: a priori Modell chondritische Zusammensetzung (Meteoriten)

5 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 D.J. Stevenson, Nature 423 (2003) 239

6 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Wie kann man die Zusammensetzung der Erde bestimmen ?

7 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ? suchen: Druck p, Temperatur T, Dichte als Funktionen der Tiefe (r) (Bemerkung: typische Gesteinsdichte an der Erdoberfläche ist ~ kg/m 3 ) haben: Masse kg mittl. Radius6371 km mittl. Dichte kg/m 3 Trägheitsmoment kgm 2

8 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 dP(r)/dr = - g(r) (r) Einfachstes Problem: Lithostatischer Druck p(r) ebenfalls gute Näherung für den Erdmantel bzw. Aussenkern: adiabatischer Temperaturverlauf T(r) (dT/dP) ad = T(r) / ( (r) C p ) für die Schwerebeschleunigung in einer Kugelschale g(r) gilt: g(r) = M(r) / r 2 = /r 2 4 r 2 (r) dr Aber wie bestimmt man die Dichte (r) ?? Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ?

9 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ?

10 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ?

11 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ?

12 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Die Adams-Williamson Gleichung (*) d (r)/dr = - (r) g(r) / (r) bzw. d (r)/dr = - 4 (r) / (r) r 2 r 2 (r) dr (*) ist eine Integro-Differential-Gl. für (r) bei gemessenem seismischen Parameter (r) Adams- Williamson (1923)

13 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Bestimmung von Bestimmung von (r): PREM

14 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Bestimmung von Bestimmung von (r): PREM Dziewonski & Anderson PEPI 25 (1981)

15 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Das PREM Modell Dichte (r) Druck P(r) und g(r)

16 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Das PREM Modell

17 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Struktur des Erdinneren

18 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Struktur des Erdinneren Inhomogenitäts- Parameter (r) (r) = - d (r)/dr (r)/( (r) g(r))

19 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Struktur des Erdinneren

20 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Stofflicher Aufbau des Erdinnern Petrologie des Erdmantels: Es existieren 2 Hauptbestandteile MgO + SiO 2 = MgSiO 3 2 MgO + SiO 2 = Mg 2 SiO 4 (enstatite -> pyroxene) (forsterite -> olivine) plus 10% Fe Anteil

21 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

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25 Petrologie des Erdmantels

26 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

27 Vergleich mit Seismologie v p, v s Pyrolite Modell

28 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Der obere Erdmantel

29 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Die Übergangszone

30 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Die Übergangszone

31 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Der untere Erdmantel

32 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Der Erdmantel insgesamt

33 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Geodynamische Implikationen (I) Ringwood (1981)

34 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Bildung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken Geodynamische Implikationen (II)

35 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Teilschmelz Prozesse Bildung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken

36 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Die ozeanische Lithosphäre

37 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Mantel- bzw. Krustengestein

38 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Mantel- bzw. Krustengestein

39 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 mantle xenoliths (e.g. from kimberlites) ophiolites (obduction zones) Mantel- bzw. Krustengestein

40 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Ophiolite

41 Ophiolit Vorkommen

42 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Bildung von Teilschmelzen (I) Kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung von (Rest-)Schmelze & Kristallen !

43 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Bildung von Teilschmelzen (II) Beim Aufsteigen von Magma aus dem Mantel an die Erdoberfläche verändert sich seine chemische Zusammensetzung (fraktionierte Kristallisation)

44 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Bildung von Teilschmelzen (III)

45 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Die ozeanische Lithosphäre

46 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

47 Die ozeanische Lithosphäre

48 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Wie kann man die Zusammensetzung der Erde bestimmen ??

49 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Zusammenfassung An mittelozeanischen Rücken führen geodynamische Prozesse (Teilschmelzen, fraktionierte Kristallisation, Alterierung) beim Aufstieg von Mantelgestein zu typischen chemischen Veränderungen in der entstehenden ozeanischen Lithosphäre und Kruste Die Kombination von seismologischer Beobachtung (PREM) mit mineralogisch-petrologischen Daten ermöglicht es, den radial gemittelten Aufbau und die stoffliche Zusammensetzung des Erdinnern weitgehend widerspruchsfrei zu bestimmen.


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