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

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VL Geodynamik & Tektonik, WS 080912.11.2008

Der stoffliche Aufbau Der stoffliche Aufbau des Erdinnerndes Erdinnern

Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam

VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

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“ Modellchondritische Zusammensetzung (Meteoriten)

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

Wie kann man die Zusammensetzung der Erde bestimmen ?

Wie bestimmt man die Wie bestimmt man die Materialparameter im Erdinneren ?Materialparameter im Erdinneren ?

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)

haben:

• Masse 5.97 1024 kg• mittl. Radius 6371 km• mittl. Dichte 5.52 103 kg/m3

• Trägheitsmoment 8.04 1037 kgm2

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) 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) ??

Die Adams-Williamson Gleichung Die Adams-Williamson Gleichung (*)(*)

d(r)/dr = - (r) g(r) / (r)

d(r)/dr = - 4 (r) / (r) r2 ∫ r2 (r) dr

(*) ist eine Integro-Differential-Gl. für (r) bei gemessenem seismischen Parameter (r)

Adams-Adams-WilliamsonWilliamson

(1923)(1923)

Bestimmung von Bestimmung von (r): PREM

Dziewonski & AndersonPEPI 25 (1981) 297-356

Das PREM ModellDas PREM Modell

Dichte (r)

Druck P(r) und g(r)

Das PREM ModellDas PREM Modell

Struktur des ErdinnerenStruktur des Erdinneren

Inhomogenitäts-

Parameter (r)

(r) = - d(r)/dr (r)/((r) g(r))

Stofflicher Aufbau des ErdinnernStofflicher Aufbau des Erdinnern

Petrologie des Erdmantels:Es existieren 2 Hauptbestandteile

MgO + SiO2 = MgSiO3

2 MgO + SiO2 = Mg2SiO4

(enstatite -> pyroxene)

(forsterite -> olivine)

plus 10% Fe Anteil

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

Petrologie des ErdmantelsPetrologie des Erdmantels

Vergleich mit Seismologie Vergleich mit Seismologie vvpp, v, vss

„„Pyrolite“ ModellPyrolite“ Modell

Der obere ErdmantelDer obere Erdmantel

Die ÜbergangszoneDie Übergangszone

Der untere ErdmantelDer untere Erdmantel

Der Erdmantel insgesamtDer Erdmantel insgesamt

Geodynamische Implikationen (I)Geodynamische Implikationen (I)

Ringwood (1981)

Bildung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken

Geodynamische Implikationen (II)Geodynamische Implikationen (II)

TeilschmelzProzesse

Bildung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken

Die ozeanische LithosphäreDie ozeanische Lithosphäre

Mantel- bzw. KrustengesteinMantel- bzw. Krustengestein

mantle xenoliths(e.g. from

kimberlites)

ophiolites(obduction zones)

OphioliteOphiolite

Ophiolit VorkommenOphiolit Vorkommen

Bildung von Teilschmelzen (I)Bildung von Teilschmelzen (I)

Kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung von

(Rest-)Schmelze & Kristallen !

Bildung von Teilschmelzen (II)Bildung von Teilschmelzen (II)

Beim Aufsteigen von Magma aus dem Mantel an die Erdoberfläche verändert sich seine chemische

Zusammensetzung

(fraktionierte Kristallisation)

Bildung von Teilschmelzen (III)Bildung von Teilschmelzen (III)

Wie kann man die Zusammensetzung der Erde bestimmen ??

ZusammenfassungZusammenfassung

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

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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