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Vulkane und Geochemie:Fenster in den Erdmantel
Andreas KlügelUniversität Bremen, Geowissenschaften, Fachgebiet "Petrologie der Ozeankruste"
www.ozeankruste-bremen.de
Ätna, 5.10.1998 (A.K.)
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Vulkane: großartiges Naturschauspiel...
Pu'u O'o, Hawaii, 1983 (© J.D. Griggs, USGS)
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Lava (Basalte u.a.)
Xenolithe aus der Kruste
...und Probenlieferant aus der Tiefe
Xenolithe aus dem Mantel
Vulkan-Magma-System
Basalt-Geochemie
Hinweise auf geologische Prozesse in den größten Tiefen...
fast bis in den Erdkern!
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Probennahme
Analysen
Gesetzmäßigkeiten
Zusammensetzung der MantelquelleGlobale Manteldynamik
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Wo gibt es überhaupt Vulkane?
Kein Vulkanismus ohne Plattentektonik!• Hotspots unter Ozeanen und Kontinenten• Subduktionszonen (Ozean-Kontinent und Ozean-Ozean)• Mittelozeanische Rücken
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Vulkane und Plattentektonik
plastischerMantel:
Astenosphäre
+spröder Mantel
Lithosphäre
Kruste
Die Astenosphäre ist plastisch, aber nicht flüssig!!
HotspotSubduktionszone Mittelozeanischer Rücken
Subduktionszone
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Was ist der Antrieb der Plattentektonik?
(© Fowler, 2005, The Solid Earth)
Konvektionsströmungen im festen Mantel
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Aufbau der Erde
(Frankfurter Allgemeine Zeitung, 1.9.2002)
(© John Winter, Igneous Petrology Online-Script)
D''-Schicht
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Vereinfachtes Konvektionsmodell des Mantels
(© John Winter, Igneous Petrology Online-Script; after Basaltic Volcanism Study Project (1981), Lunar and PlanetaryInstitute)
um 1975
modern, aber umstritten
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Bildung ozeanischer Kruste an den mittelozeanischen Rücken
(aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998)
Meist passives Spreading:Platten driften auseinander, Gestein des oberen Mantels steigt auf und beginnt durch Druckentlastung zu schmelzen.
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Wie alt wird die Ozeankruste?
Die Magnetisierungsrichtungen der Basalte zeigen:Ozeankruste wird im Mittel nur ca. 80 Mio. Jahre alt,
maximal 200 Mio. Jahre - dann Subduktion!
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Tauchen subduzierte Platten in den unteren Mantel ab?
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Tauchen subduzierte Platten in den unteren Mantel ab?
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Zurück zum Vulkanismus: Basalt ist nicht BasaltMittelozeanische
RückenHotspot-
Vulkanismus
Yasur, Vanuatu (© R. Carniel, Stromboli-Online)Kissenlava unter dem Meer (© R. Pyle)
Die Basalte dieser Vulkane sind fundamental verschieden!
Subduktions-Vulkanismus
Hawaii (© C. Heliker, USGS)
"tholeiitische" Basalte, das häufigste Vulkangestein:
MORB(mid-ocean ridge basalt)
überwiegend "alkalische" und
"tholeiitische" Basalte:
OIB(ocean island basalt)
recht unterschiedliche Basalte und hoch-
differenzierte Laven:
Subduktions-/Inselbogen-Basalte
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Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)
• Fast identische chemische und physikalische Eigenschaften der SEE• Gleichmäßige Abnahme der Ionenradien von Lanthan (La) bis Lutetium (Lu)• Dadurch verschieden guter Einbau der verschiedenen SEE in Kristallgitter
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Mantelgestein
partielle Schmelze
Restit (verarmter Mantel)
partielle Schmelze des Restits
← inkompatibel(bevorzugt Schmelze)
→ kompatibel(bevorzugt Gestein)
Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)
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Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)
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Fundamentale Unterschiede der Basalte der Ozeanbecken:
MORB:entstammen fast durchweg aus einem chemisch verarmten Mantel
OIB (und Subduktions-Basalte der Inselbögen):beinhalten eine weniger verarmte bis angereicherte ("fertile") Mantelquelle
Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)
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Geochemie 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm")
zunehmend inkompatibel (bevorzugt in Schmelze)
Seltene-ErdenElemente
MobileElemente
ImmobileElemente
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Geochemie 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm")
Basalte der ozeanischen Becken: • negative Pb-Anomalien• positive Nb,Ta-Anomalien• MORB verarmt, OIB angereichert an inkompatiblen Elementen
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Geochemie 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm")
Subduktionsbezogene Basalte: • positive Pb-Anomalien• negative Nb,Ta-Anomalien• angereichert an mobilen Elementen
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Geochemie 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm")
Zusammenfassung Spurenelemente:
• Die Mantelquelle der meisten Mittelozeanischen Rücken-Basalte (MORB) ist chemisch verarmt und relativ homogen
• Die Mantelquelle von Ozeaninsel-Basalten (OIB) und der meistenSubduktions-Basalte ist angereicherter und heterogener als MORB
• Die Basalte der ozeanischen Becken (MORB und OIB) zeigen positiveNb-Ta- und negative Pb-Anomalien.
• Subduktions-Basalte zeigen negative Nb-Ta- und positive Pb-Anomalien.
Konsequenzen für Modelle der globalen Manteldynamik!
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Geochemie und Manteldynamik, Folgerungen 1
• Der obere Mantel ist durch die Bildung der kontinentalen Kruste über lange Zeiträume chemisch verarmt.
• Die von den OIB beprobten tieferen Mantelbereiche sind weniger verarmt bis angereichert und sehr heterogen.
• Oberer und unterer Mantel sind chemisch verschieden!
(aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998)
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Geochemie und Manteldynamik, Folgerungen 2
• Ozeankruste verliert Pb durch hydrothermale Aktivität, lagert sich in Sedimenten ab: negative Pb-Anomalie.
• Bei der Subduktion gelangt viel Pb durch Fluide in die Magmen: positive Pb-Anomalie der Subduktions-Basalte.
• Wie kommt die negative Pb-Anomalie zu den OIB?
(aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998)
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Geochemie und Manteldynamik, Folgerungen 3
• Bei der Subduktion bleiben Nb und Ta im Mantel zurück: negative Nb-Ta-Anomalie der Subduktions-Basalte.
• Der obere Mantel reichert sich dadurch in geologischer Zeit mit Nb und Ta an: positive Nb-Ta-Anomalie der MORB.
• Wie kommt die positive Nb-Ta-Anomalie zu den OIB?
(aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998)
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Hofmann & White (1982): Recycling subduzierter Ozeankruste
• Subduktion erzeugt permanent Heterogenitäten im Erdmantel• Subduzierte Ozeankruste: bis zu 10 Gew.% des Erdmantels!• Recycling "vererbt" geochemische Eigenschaften an OIB
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Hofmann & White (1982): Recycling subduzierter Ozeankruste
(© John Winter, Igneous Petrology Online-Script)
Modell zu vereinfacht, da keine einheitliche OIB-Quelle: Isotope!
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Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope
• Prinzip: Isotopenverhältnisse ändern sich über geologisch langeZeiträume durch radioaktiven Zerfall.• Ausbildung verschiedener Reservoire durch Schmelzbildung.
(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)
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Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope
(© John Winter, Igneous Petrology Online-Script)
Der "Mantel Array": Hotspot ist nicht gleich Hotspot
87Sr/86Sr
143 N
d/14
4 Nd
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Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope
OIB-Mantelquellen bestehen aus verschiedenen Komponenten (Reservoire), die sich über 1-2 Ga hinweg entwickelt haben.
(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie) • DMM:Depleted MORB Mantle, also verarmter Mantel
• EM1:Enriched Mantle 1, ähnelt kontinentaler Unterkruste und subkontinent. Mantel
• EM2:Enriched Mantle 2, ähnelt kontinentaler Oberkruste (subduzierte Sedimente)
• HIMU:High µ = hohes 238U/204Pb, alte hydrothermal veränderte Ozeankruste
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Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope
Andere Isotopensysteme zeigen ebenfalls verschiedene OIB-Arrays
(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)
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Der Mantel-Zoo
Jeder Hotspot hat seinen eigenen Isotopengeschmack!
(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)
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(Juteau & Maury 1999, nach Davies und Richards 1992)
Ein mögliches Modell der dynamischen Erde
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(© Best und Christiansen, 2000)
Ein mögliches Modell der dynamischen Erde
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Filme von Modellen der Mantelkonvektion
Universität Münster, Geodynamik / Prof. Hansen
Oben:
Universität Frankfurt, Institut für Geophysik / H. Schmeling
Unten:
Universität Münster, Geodynamik / U. Hansen
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Offene Fragen
• Gibt es unterschiedliche Konvektionszellen im oberen und unteren Mantel, oder ist die Konvektion mantelübergreifend?
• Welche Plumes stammen aus der Kern-Mantel-Grenze, welche aus der 670-km-Grenze?
• Gibt es überhaupt Mantel-Plumes?
• Wie genau wird die Ozeankruste bei der Subduktionchemisch verändert?
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Das war's... Pico de Fogo, Kapverden (A.K.)
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Aufbau der Erde
Besonderheiten:Lithosphäre: feste Platten, thermische Grenzschicht
660-km-Diskontinuität:Grenze oberer-unterer Mantel,Sprung von Dichte + Viskosität
D"-Schicht: Kern-Mantel-Grenze,thermische Grenzschicht, starke Abnahme der Viskosität