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

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Beginnen wir am Anfang ..

vor ~ 4.56 Mrd. Jahren courtesy of NASA/JPL-Caltech

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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)

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

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Wie kann man die Zusammensetzung der Erde bestimmen ?

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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

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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) ??

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

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

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

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

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

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

bzw.

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)

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Bestimmung von Bestimmung von (r): PREM

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Bestimmung von Bestimmung von (r): PREM

Dziewonski & AndersonPEPI 25 (1981) 297-356

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Das PREM ModellDas PREM Modell

Dichte (r)

Druck P(r) und g(r)

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Das PREM ModellDas PREM Modell

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Struktur des ErdinnerenStruktur des Erdinneren

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Struktur des ErdinnerenStruktur des Erdinneren

Inhomogenitäts-

Parameter (r)

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

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Struktur des ErdinnerenStruktur des Erdinneren

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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

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

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Petrologie des ErdmantelsPetrologie des Erdmantels

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Vergleich mit Seismologie Vergleich mit Seismologie vvpp, v, vss

„„Pyrolite“ ModellPyrolite“ Modell

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Der obere ErdmantelDer obere Erdmantel

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Die ÜbergangszoneDie Übergangszone

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Die ÜbergangszoneDie Übergangszone

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Der untere ErdmantelDer untere Erdmantel

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Der Erdmantel insgesamtDer Erdmantel insgesamt

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Geodynamische Implikationen (I)Geodynamische Implikationen (I)

Ringwood (1981)

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Bildung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken

Geodynamische Implikationen (II)Geodynamische Implikationen (II)

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TeilschmelzProzesse

Bildung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken

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Die ozeanische LithosphäreDie ozeanische Lithosphäre

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Mantel- bzw. KrustengesteinMantel- bzw. Krustengestein

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Mantel- bzw. KrustengesteinMantel- bzw. Krustengestein

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mantle xenoliths(e.g. from

kimberlites)

ophiolites(obduction zones)

Mantel- bzw. KrustengesteinMantel- bzw. Krustengestein

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OphioliteOphiolite

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Ophiolit VorkommenOphiolit Vorkommen

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

Kontinuierliche Änderung der Zusammensetzung von

(Rest-)Schmelze & Kristallen !

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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)

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

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Die ozeanische LithosphäreDie ozeanische Lithosphäre

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Die ozeanische LithosphäreDie ozeanische Lithosphäre

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Wie kann man die Zusammensetzung der Erde bestimmen ??

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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.