Der stoffliche Aufbau des Erdinnern Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam

Übersicht zur Vorlesung

Beginnen wir am Anfang .. vor ~ 4.56 Mrd. Jahren courtesy of NASA/JPL-Caltech

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)

D.J. Stevenson, Nature 423 (2003) 239

Wie kann man die Zusammensetzung der Erde bestimmen ?

Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ? haben: Masse 5.97 1024 kg mittl. Radius 6371 km mittl. Dichte 5.52 103 kg/m3 Trägheitsmoment 8.04 1037 kgm2 suchen: Druck p, Temperatur T, Dichte  als Funktionen der Tiefe (r) (Bemerkung: typische Gesteinsdichte  an der Erdoberfläche ist ~ 2.7..3.4 103 kg/m3)

Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ? Einfachstes Problem: Lithostatischer Druck p(r) dP(r)/dr = - g(r) (r) ebenfalls gute Näherung für den Erdmantel bzw. Aussenkern: adiabatischer Temperaturverlauf T(r) (dT/dP)ad = T(r) / ((r) Cp) für die Schwerebeschleunigung in einer Kugelschale g(r) gilt: g(r) =  M(r) / r2 = /r2 4 ∫ r2 (r) dr Aber wie bestimmt man die Dichte (r) ??

Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ?

Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ?

Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ?

Die Adams-Williamson Gleichung (*) d(r)/dr = - (r) g(r) / (r) bzw. Adams-Williamson (1923) d(r)/dr = - 4 (r) / (r) r2 ∫ r2 (r) dr (*) ist eine Integro-Differential-Gl. für (r) bei gemessenem seismischen Parameter (r)

Bestimmung von (r): PREM

Bestimmung von (r): PREM Dziewonski & Anderson PEPI 25 (1981) 297-356

Das PREM Modell Dichte (r) Druck P(r) und g(r)

Das PREM Modell

Struktur des Erdinneren

Struktur des Erdinneren Inhomogenitäts- Parameter (r) (r) = - d(r)/dr  (r)/((r) g(r))

Struktur des Erdinneren

Stofflicher Aufbau des Erdinnern Petrologie des Erdmantels: Es existieren 2 Hauptbestandteile MgO + SiO2 = MgSiO3 (enstatite -> pyroxene) 2 MgO + SiO2 = Mg2SiO4 (forsterite -> olivine) plus 10% Fe Anteil

http://de.wikipedia.org/wiki/Peridodit

Petrologie des Erdmantels

Vergleich mit Seismologie vp, vs „Pyrolite“ Modell

Der obere Erdmantel

Die Übergangszone

Die Übergangszone

Der untere Erdmantel

Der Erdmantel insgesamt

Geodynamische Implikationen (I) Ringwood (1981)

Geodynamische Implikationen (II) Bildung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken

Bildung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken Teilschmelz Prozesse Bildung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken

Die ozeanische Lithosphäre

Mantel- bzw. Krustengestein

Mantel- bzw. Krustengestein

Mantel- bzw. Krustengestein ophiolites (obduction zones) mantle xenoliths (e.g. from kimberlites)

Ophiolite

Ophiolit Vorkommen

Bildung von Teilschmelzen (I) Kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung von (Rest-)Schmelze & Kristallen !

Bildung von Teilschmelzen (II) (fraktionierte Kristallisation) Beim Aufsteigen von Magma aus dem Mantel an die Erdoberfläche verändert sich seine chemische Zusammensetzung (fraktionierte Kristallisation)

Bildung von Teilschmelzen (III)

Die ozeanische Lithosphäre

Die ozeanische Lithosphäre

Wie kann man die Zusammensetzung der Erde bestimmen ??

Zusammenfassung 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. 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. 12.11.2008