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Flutbasaltische Eruptionen und Naturkatastrophen in der Geschichte der Erde Massenaussterben in geologischen Zeiten Flutbasalten und Mantelplums Impakt-Phänomene.

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Präsentation zum Thema: "Flutbasaltische Eruptionen und Naturkatastrophen in der Geschichte der Erde Massenaussterben in geologischen Zeiten Flutbasalten und Mantelplums Impakt-Phänomene."—  Präsentation transkript:

1 Flutbasaltische Eruptionen und Naturkatastrophen in der Geschichte der Erde Massenaussterben in geologischen Zeiten Flutbasalten und Mantelplums Impakt-Phänomene Periodische extraterrestrische Ursachen Bagdassarov N. Institut für Meteorologie und Geophysik, Universität Frankfurt am Main Natura non facit saltum ?

2 Was ist Massenaussterben und Hintergrundaussterben ? Hintergrundextinction: Während Hintergrund-Zeiten ist die Wahrscheinlichkeit für ein Taxon, in einem gewissen Zeitintervall innerhalb seiner phylogenetisch höher stehenden Gruppe (subclade within its clade) auszusterben konstant, egal, wie lange sie schon existiert. Massenextinction: Im Gegensatz zu Hintergrund-Extinktionen haben Massenextinktionen globales Ausmass, betreffen ein breites Spektrum von Organismen und vollziehen sich relativ schnell verglichen mit der Lebensdauer der Taxa, welche aussterben. Magnitude eines Massenaussterbens M=ln(R/R 0 ), wobei R 0 ist die Hintergrundaussterbensrate, R ist die beschleunigte Aussterbensrate [Hsü, 1989]

3 * Von den Milliarden Tier- und Pflanzenarten, die einmal auf der Erde gelebt haben, hat kaum eine die gesamte Erdgeschichte hindurch überlebt. 99,9 Prozent aller Arten sind ausgestorben. Die Überlebensrate liegt bei nur 0,1 Prozent.

4 Die fünf großen, relativ gesicherten Massensterbens-Episoden mit ihren Auswirkungen im Überblick: 1. Am Ende des Ordovizium (vor 438 Mio. Jahren): Gattungen 61%, Arten 85% 2. Am Ende des Devon (vor 360 Mio. Jahren): Familien 21%, Gattungen 55%, Arten 82% 3. Am Ende des Perm (vor 245 Mio. Jahren): Familien 57%, Gattungen 84%, Arten 96%!!! 4. Am Ende des Trias (vor 208 Mio. Jahren): Tetrapoden-Familien 27% 5. Am Ende der Kreide (vor 65 Mio. Jahren): Familien 21%, Gattungen 55%, Arten 82%

5

6 [Sepkoski, 1994] Eustasie: 7 aus 14 Flutbasalten: 10 aus 10 Impakten: 1 aus 17

7 [Rampino&Caldeira, 1993] Letzte war vor 9 Myr [W.Alvarez&Muller, 1984] 28.4 Myr letzte ist vor 13 Myr Zeit in Myr Periodizität und Phase der Massenaussterben

8 Die jährlich ausgetretenen Magmamengen des CRB werden zwischen 0,1 und 2 km 3 geschätzt, das entspricht Raten von 3 bis 60 m 3 pro Sekunde. Hierbei handelt es sich allerdings um einen Durchschnittswert; der Vulkanismus verlief nicht kontinuierlich. Vielmehr wurden episodisch gewaltige Mengen an Lava gefördert. Hangneigung ~ 0,5° Kühlrate ~ 0,02-0,05°C/km Lavastromlänge > 100 km Der Columbia River Basalt Was ist Flutbasalt?

9 Flutbasalten und Mantelplums ?,C,O

10 Phasen- grenze mit negativen dP/dT Neigung Superplumes ~ Gyr lithosphärische Plattenlavinen (Peltier et al. 1997) Gya 1-2 stockige Konvektionszyklen (Davies, 1995)

11 Magmaförderungsrate ~ km³/y

12 [Ebinger & Sleep, 1998]

13 [White&MacKenzie, 1989] [Cordery et al., 1997] [Farnetani&Richards, 1994] A. Breite ( km) thermische Anomalie °C, dynamische Erhebung 1-2 km, Mantelmaterial ist depleted, Subsidence wegen Isostasie B. Temperatur in Plum muss 1600°C C. Plummaterial muss 15% Eklogit enthalten D. Plummaterial ist mit 0,5 % H 2 O z. B. Columbia River Fluß der Auftriebskraft b=g· · ·r²·v b>10 5 N/s b<10 4 N/s v r

14 Alter Flutbasalten und kontinentale Rände + + ? + - ?

15 [Courtillot et al., 1999] Flutbasalten und Plattentektonik

16 [Shoemaker 1983] Kumulative Häufigkeit kinetischer Energie der Impakten auf der Erde Jede 3 x 10 7 Jahre ein K/T- Impakt stattfindet

17 Geologische Merkmale eines Impaktes an der K/T-Grenze Hypothese von L. Alvarez [Keller et al. 2003] Drucklamelle in Schocked-Quarz Mikrotektiten

18 Moderne Ansichten an der K/T-Grenze: Multiple-Impakt + Dekkan Vulkanismus [Keller et al. 2003]

19 Atmosphärische Effekte nach einem Impaktes

20 Optische Dichte= - ln(I/I 0 ) [Wallace et al., 2003] (1988) Kritische Belastung der Atmosphäre ist 10² km³/Jahr V ~ 10 6 km³, Dauer ~ 10 6 Jahre: 1 km³/Jahr

21 Ekzentrizität ~ , Nemesis ist unsichtbar Perihelabstand ~ AU Nemesis kommt jede 30 Myr durch Oortsche Wolke Masse ~0.5-7% Sonnenmasse, Nemesis ist braun oder schwarz Zwerg Wann zwei Sterne sind im Aphelabstand... und im Perihelabstand Laufbahn des Nemesis, Zwillingsstern der Sonne

22 2. Sonnensystem stoßt periodisch mit GMW oder Planetesimalen in galaktischen spiralförmigen Arms. Bombardierungsrate auf dem Mond und anderen Planeten in der letzten 3 Gyr war konstant. Ohne Zufuhr von Kometten in Oortsche Wolke M ow ~ 10 M Erde. Aktuelle Einschlagsrate entspricht einem Massezufuhr M erde jede 10 8 Jahre. M~ 1. Streuung der Kometteh in Oortsche Wolke während der Exkursion von Nemesis: dN/dt= n(r)· d²·2u·(2q/r) Perihel q=a·(1-e) ~ 1 AU, Sonne-Nemesis Abstand r ~a·(1+0,5e²) ~1,3x10 5 AU N~66 pro Jahr sind gestreut mit q~1 AU N ~ 5 x10 8 sind gestreut pro Revolution d= r·(M nemesis /M sonne ) 1/3 = 8 x10³AU Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoß mit der Erde: p~ (10 km/150 x 10 6 km)²x 5·10 8 ~ 2 x ~ 10 5 AE Sonne Nemesis

23 Halbe Periode ca. 33 Mya Geschwindigkeit des Sonnensystems im Galaktik ist 220 km/s. Zuletzt vor 70 Myr wurde Saggitarius- Carina-Arm passiert. Jetzt ist das Sonnensystem am Rand des Orion-Arms. Sonnensystem Gouldsche Gürtel 240 Mya pc r~15kpc

24 Sonnenwind schützt die Erde vor noch stärkeren Teilchenschauern aus dem All. Das Versagen dieses Schildes könnte auf der Erde zu Massensterben führen. Primäre kosmische Strahlung: 2%e - +87%p+12%He 2 4 Sonnenwind Energiedichte: ~ 1eV/cm³ Besteht aus -Teilchen,e -, Ionen von He, Ne, N, C,... mit 400 km/s aus helmet streamers und mit 800 km/s aus koronalen Lochen

25 Begründung der Katastrophenperiodizität: Kopplung zwischen extraterrestrischen Einschlägen, Mantelplums und Flutbasalten an der Oberfläche der Erde Abbott and Isley (2002) haben die drei Hypothesen vorgeschlagen: 1. Extraterrestrischer Einschlag kann Anriss- und Entspannungskräfte in der Erdkruste verursachen. Das wird den Schmelzen, die im oberen Mantel aufgrund von tektonischen Spannungen und nichtschmelzdurchlässigen Schichten in der Lithosphäre festsitzen, ermöglichen, einfachere Wege zur Erdoberfläche zu finden. 2.Gewaltige extraterrestrische Einschläge können riesige Risse an der Erdoberfläche produzieren. Das wird die Entstehung neuer tektonischer Plattengrenzen und dementsprechender dünnerer Lithospäre bzw. längerer Schmelzsäulen unterstützen. 3. Extraterrestrische Einschläge können einen Schwarm von microdikes an der Kern- Mantelgrenze initiieren. Wenn solche dykes sehr dünn sind, dann können sie zu einer intensiveren Mischung zwischen Kern und unterem Mantelmaterial führen, und die bereits vorhandenen Wärme, die zum Schmelzprozeß im Mantel führt, erhöhen. Dies führt zu einer schnelleren Intensivierung der existierenden Mantelplumes.

26 Das Impaktbeben Ein Impaktor mit 100 Milliarden Tonnen erzeugt eine 500 bis 2500 mal stärkere Bebenwirkung als einer mit einer Sprengkraft von 5 Tonnen TNT. Die Stärksten in diesem Jahrhundert gemessenen Beben zeigten auf der exponentiellen Richter-Skala eine Magnitude von 8,3. Der Endkreidekörper von Yukatan besaß eine Masse von 1 Billion Tonnen, was einem Ausschlag von 12,5 auf der Richter-Skala entsprach. PKP2 PPP PP Impaktquelle Antipode Winkelabstand

27 [Jones et al., 2002] D= 20 km V= 10 km/s Nach 40 sec

28 [Jones et al., 2002] I-Plumes Wegen Druckentlastung (adiabatische Dekompression) wird das Solidus der Mantelgesteinen überqueren. Das lässt bis 20% von Mantelgesteinen zu schmelzen.

29 Antipode Punkten von Impakten und Flutbasalten ? [Rampino&Caldeira, 1992]: In <700 km Umgebung von dem Antipodenpunkt eines hot-spot liegt ein antipodal hot-spot (26-37%). 1. Symmetrische Entstehung Mantelplums. 2. Schmelzprozesse wegen antipodische Fokussierung der seismischen Energie von extraterrestrischen Einschläge.

30 Caloris-Becken, Merkur Die seismischen Wellen, die der Caloris-Einschlag hervorrief, schlugen bis auf die gegenüberliegende Seite des Planeten und verursachten eine Region mit chaotischem Terrain. Nach dem Einschlag füllte sich der Krater teilweise mit Lava. Antipode-Seite 1300 km

31 D=10 km, V= 20km/s, übertragendes mechanisches Moment (0.01%) = N·m, mechanische Energie = 3·10 19 J [Boslough et al., 1996] Seismische Fokussierung

32 Wieviel Material wird zu T=100°C erhitzen? C p ~ 1 kJ/kg => V ~ 1 km³ (!!!). [Melosh, 1999]: Ein direktes Schmelzprozeß im antipoden Punkt ist ausgeschlossen.

33 [Buffet et al., 2000] (Mg y,Fe 1-y )SiO 3 +3(1-y)·Fe y·MgSiO 3 +(1-y)·FeSi+3(1-y)·FeO Chemische Grenze Erschütterung der leichten Sedimenten von der KMG kann Störungen und Umkehrung der konvektiven Zellen im inneren Kern verursachen. Während dieser Zeit befindet sich das Magnetfeld in einer Umbauphase. Nach der Relaxationszeit folgt eine Ruhepause. Zerstörung von der Konvektion im aüßeren Kern?

34 = m*V*R/I mantel R µ=10 -2 Pa·sec ~(2µt/ ) 1/2 =0.5 m (nach 24 St) Viskose Spannung=µ· v/ =2·10 -7 Pa Existierende v. Spannung =10 -2 Pa·sec·10 -4 m·sec -1 / 10³m =10 -9 Pa P= · · ·R² ~1 Pa [Muller, 2002] (Mg y,Fe 1-y )SiO 3 +3(1-y)·Fe y·MgSiO 3 +(1-y)·FeSi+3(1-y)·FeO D= 10 km, V= 25 km/s: =2· /s, v~10 -5 m/s

35 Natura non facit saltum? Bombardierungsrate nimmt abBombardierungsrate ist konstant Katastrophen ? Zweistockige MKWechselbar zwei- einstockige MK

36 Periodische Massensterben in Biosphäre Klimaänderung Eustasie Ungewöhnliches Schmelzprozeß Stochastische extraterrestrische Ursache Periodische extraterrestrische Ursache Flutbasalten vulkanische Katastrophen Geodynamische Ursache: Mantelplums, Störungen an der Kern-Mantelgrenze

37 Schlußfolgerungen: 1. Vorwiegende Periode des Massenaussterbens bzw. globalen Klimakatastrophen korreliert mit der Periodizität flutbasaltischer Eruptionen (99%). Periode ist 26 Myr und im Augenblick befinden wir uns 9 Myr nach dem letzten Massensterben. 2. Die Zeit von manchen Flutbasalten überlappt mit großen Impakten (Chixulub-Krater Dekkan-Trapp). Periodizität von grossen Impakten ist noch nicht gut bewiesen (~10 8 Jahre nur für K/T-Impakt). 3. Für extraterrestrische periodische Ursachen gibt es wenig Beweise (Nemesis-Rotation, Stoß mit Gigantische Molekülwolke, Schwankungen der Sonnensystemsposition in der Galaktik, Komettenschauer). 4. Modellierung von Mantelplumes soll Mechanismen von intensiven Ausschmelzprozessen der Flutbasalten mit der Förderung ca km³/y in der kurzen Zeitspanne (< 1 Myr) darstellen. 5. Periodische Ursachen der Entstehung von Mantelplums an der Kern- Mantel- und 660km-Grenzen müssen besser verstanden werden. 6. Signifikante Störungen der konvektiven Zellen im äußeren Kern nach einem Impakt sind sehr unwahrscheinlich.


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