VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
12.11.2008
Der stoffliche Aufbaudes ErdinnernDer stoffliche Aufbaudes Erdinnern
Institut für GeowissenschaftenUniversität Potsdam
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Übersicht zur Vorlesung
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
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 dieMaterialparameter im Erdinneren ?Wie bestimmt man dieMaterialparameter 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:
• Masse5.97 1024 kg
• mittl. Radius6371 km
• mittl. Dichte5.52 103 kg/m3
• Trägheitsmoment8.04 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 dieMaterialparameter im Erdinneren ?Wie bestimmt man dieMaterialparameter im Erdinneren ?
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Wie bestimmt man dieMaterialparameter im Erdinneren ?Wie bestimmt man dieMaterialparameter im Erdinneren ?
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Wie bestimmt man dieMaterialparameter im Erdinneren ?Wie bestimmt man dieMaterialparameter im Erdinneren ?
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Wie bestimmt man dieMaterialparameter im Erdinneren ?Wie bestimmt man dieMaterialparameter 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-Williamson(1923)Adams-Williamson(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 vp, vsVergleich mit Seismologie vp, vs
„Pyrolite“ Modell„Pyrolite“ 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 anmittelozeanischen Rücken
Geodynamische Implikationen (II)Geodynamische Implikationen (II)
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Teilschmelz
Prozesse
Bildung ozeanischer Lithosphäre anmittelozeanischen 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. fromkimberlites)
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 derZusammensetzung von
(Rest-)Schmelze & Kristallen !
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Bildung von Teilschmelzen (II)Bildung von Teilschmelzen (II)
Beim Aufsteigen von Magma ausdem Mantel an die Erdoberflächeverändert sich seine chemischeZusammensetzung
(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 geodynamischeProzesse (Teilschmelzen, fraktionierte Kristallisation,Alterierung) beim Aufstieg von Mantelgestein zutypischen chemischen Veränderungen in derentstehenden ozeanischen Lithosphäre und Kruste.
12.11.2008
Die Kombination von seismologischer Beobachtung(PREM) mit mineralogisch-petrologischen Datenermöglicht es, den radial gemittelten Aufbau und diestoffliche Zusammensetzung des Erdinnern weitgehendwiderspruchsfrei zu bestimmen.