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

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/R0), wobei R0 ist die Hintergrundaussterbensrate, R ist die beschleunigte Aussterbensrate [Hsü, 1989]

* 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.

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%

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

Periodizität und Phase der Massenaussterben [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

Der Columbia River Basalt Was ist Flutbasalt? Der Columbia River Basalt Hangneigung ~ 0,5° Kühlrate ~ 0,02-0,05°C/km Lavastromlänge > 100 km Die jährlich ausgetretenen Magmamengen des CRB werden zwischen 0,1 und 2 km3 geschätzt, das entspricht Raten von 3 bis 60 m3 pro Sekunde. Hierbei handelt es sich allerdings um einen Durchschnittswert; der Vulkanismus verlief nicht kontinuierlich. Vielmehr wurden episodisch gewaltige Mengen an Lava gefördert.

Flutbasalten und Mantelplums ?,C,O

lithosphärische Plattenlavinen (Peltier et al. 1997) 0.8-1.7 Gya Phasen-grenze mit negativen dP/dT Neigung Superplumes ~ 0.4-0.6 Gyr lithosphärische Plattenlavinen (Peltier et al. 1997) 0.8-1.7 Gya 1-2 stockige Konvektionszyklen (Davies, 1995)

Magmaförderungsrate ~ 0.25-1 km³/y

[Ebinger & Sleep, 1998]

Fluß der Auftriebskraft b=g·Dr·p·r²·v A. Breite (100-200 km) thermische Anomalie 100-200°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 % H2O [Cordery et al., 1997] [White&MacKenzie, 1989] b>105 N/s [Farnetani&Richards, 1994] z. B. Columbia River r v Fluß der Auftriebskraft b=g·Dr·p·r²·v b<104 N/s

Alter Flutbasalten und kontinentale Rände ? + - + ? +

Flutbasalten und Plattentektonik [Courtillot et al., 1999]

ein K/T-Impakt stattfindet Kumulative Häufigkeit kinetischer Energie der Impakten auf der Erde Jede 3 x 107 Jahre ein K/T-Impakt stattfindet [Shoemaker 1983]

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

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

Atmosphärische Effekte nach einem Impaktes

Optische Dichte= - ln(I/I0) (1988) [Wallace et al., 2003] Optische Dichte= - ln(I/I0) Kritische Belastung der Atmosphäre ist 10² km³/Jahr V ~ 106 km³, Dauer ~ 106 Jahre: 1 km³/Jahr

Laufbahn des Nemesis, Zwillingsstern der Sonne ... und im Perihelabstand Wann zwei Sterne sind im Aphelabstand Ekzentrizität ~0.7-0.9, Nemesis ist unsichtbar Perihelabstand ~ 10.000 AU Nemesis kommt jede 30 Myr durch Oortsche Wolke Masse ~0.5-7% Sonnenmasse, Nemesis ist braun oder schwarz Zwerg

1. Streuung der Kometteh in Oort‘sche Wolke während der Exkursion von Nemesis: dN/dt= n(r)·pd²·2u·(2q/r) Perihel q=a·(1-e) ~ 1 AU, Sonne-Nemesis Abstand r ~a·(1+0,5e²) ~1,3x105 AU N~66 pro Jahr sind gestreut mit q~1 AU N ~ 5 x108 sind gestreut pro Revolution Nemesis Sonne Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoß mit der Erde: p~ (10 km/150 x 106 km)²x 5·108 ~ 2 x 10-6 d= r·(Mnemesis/Msonne)1/3 = 8 x10³AU M~ ~ 105 AE 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 Oort‘sche Wolke Mow~ 10 MErde . Aktuelle Einschlagsrate entspricht einem Massezufuhr 40-80 Merde jede 108 Jahre.

r~15kpc Gould‘sche Gürtel 60-70 pc Halbe Periode ca. 33 Mya 240 Mya Sonnensystem 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.

Primäre kosmische Strahlung: 2%e- +87%p+12%He24 Sonnenwind Besteht aus a-Teilchen,e-, Ionen von He, Ne, N, C,... mit 400 km/s aus „helmet streamers“ und mit 800 km/s aus koronalen Lochen Energiedichte: ~ 1eV/cm³ Sonnenwind schützt die Erde vor noch stärkeren Teilchenschauern aus dem All. Das Versagen dieses Schildes könnte auf der Erde zu Massensterben führen.

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.

Das Impaktbeben Impaktquelle Antipode Winkelabstand D 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. Winkelabstand D Impaktquelle PKP2 PP PPP Antipode

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

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

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.

Caloris-Becken, Merkur Antipode-Seite 1300 km 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.

Seismische Fokussierung D=10 km, V= 20km/s, übertragendes mechanisches Moment (0.01%) = 1015 N·m, mechanische Energie = 3·1019 J [Boslough et al., 1996]

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

Zerstörung von der Konvektion im aüßeren Kern? 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. [Buffet et al., 2000] (Mgy,Fe1-y)SiO3+3(1-y)·Fe<=> y·MgSiO3+(1-y)·FeSi+3(1-y)·FeO

DW= m*V*R/Imantel DP= r·w·DW·R² ~1 Pa R D= 10 km, V= 25 km/s: DW=2·10-12 1/s, dv~10-5 m/s µ=10-2 Pa·sec d~(2µt/r)1/2=0.5 m (nach 24 St) Viskose Spannung=µ· dv/d =2·10-7Pa Existierende v. Spannung =10-2 Pa·sec·10-4m·sec-1/ 10³m =10-9 Pa (Mgy,Fe1-y)SiO3+3(1-y)·Fe<=> y·MgSiO3+(1-y)·FeSi+3(1-y)·FeO [Muller, 2002]

Natura non facit saltum? Katastrophen ? Zweistockige MK Wechselbar zwei- einstockige MK Bombardierungsrate nimmt ab Bombardierungsrate ist konstant

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

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 (~108 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. 0.25-1 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.