Erdmantel und Erdkern: Struktur, Zusammensetzung und Dynamik

Erdmantel: Struktur und Zusammensetzung

Der Mantel ist die mittlere Schicht der Erde und kann derzeit nicht vollständig durchdrungen werden. Die Bohrung auf der Kola-Halbinsel erreichte eine Tiefe von 13 km. Ein weiteres Projekt erreichte 14 km. Bei diesen Tiefen können Probleme auftreten, da Temperaturen über 300 °C den Bohrer schmelzen lassen.

Mantelgesteine wurden an der Küste Portugals an die Oberfläche gebracht, was durch positive tektonische Strukturen ermöglicht wurde, die für weitere Untersuchungen von Interesse sind.

Im Mantel müssen wir zwei Schichten unterscheiden:

• Oberer Erdmantel: Zwischen 30 und 670 km Tiefe.
• Unterer Erdmantel: Von 670 bis 2900 km Tiefe.

Diese Schichten werden durch die Repetti-Diskontinuität getrennt.

Gesteine und Minerale des Mantels

Die vorherrschenden Gesteine sind Peridotite, die die gleiche Dichte wie der obere Erdmantel aufweisen. Sie treten in Gebirgen in Form von Ophiolith-Komplexen auf. Ihre typischen Minerale sind Olivin, Pyroxen, Spinell und Granat.

Die Existenz von Peridotiten deutet auf eine teilweise Schmelze des Mantels hin, die Granat- und Pyroxen-Peridotite beeinflusst und zur Bildung von Basalten führt.

Mantel-Anisotropie

Seismische Wellen breiten sich in bestimmten Richtungen schneller aus als in anderen. Ihre Geschwindigkeit ist größer in Richtung der Streckung der Peridotit-Minerale. Die gemessene Anisotropie im Erdmantel ist fast identisch mit der von Peridotiten.

Der Mantel hat eine ähnliche Zusammensetzung wie kohlige Chondrite, wenn man die flüchtigen Bestandteile entsprechend berücksichtigt.

Die Differenzierung des gesamten Mantels wird durch physikalische Veränderungen und die schrittweise Zunahme der Dichte der Minerale unter Druck erklärt:

• Im oberen Erdmantel wandelt sich Olivin in Spinell um, der etwa 10 % dichter ist.
• Im unteren Mantel wird Spinell zu Perowskit.

Mantelkonvektion und Plattenbewegung

Konvektionsströme im silikatischen Erdmantel verursachen die Bewegung der Lithosphärenplatten. Das aktuelle Modell geht von der Existenz von Mantelkonvektion aus, sowie einer dritten Art von begrenzten Aufstromgebieten (Plumes), die von der D-Schicht (Kern-Mantel-Grenze) aufsteigen und an der Oberfläche Rücken oder "Hot Spots" bilden können.

Erdkern: Struktur und Eigenschaften

Die Existenz eines festen inneren Kerns und eines flüssigen äußeren Kerns wird durch die Ausbreitung seismischer Wellen belegt. S-Wellen können sich nicht im äußeren Kern ausbreiten, während P-Wellen ihre Geschwindigkeit beim Überschreiten der Lehmann-Diskontinuität erhöhen.

Die Temperaturen im Kern liegen zwischen 4000 und 5000 °C und die Drücke zwischen 1,3 und 3,6 Millionen Atmosphären.

Der Geodynamo und das Erdmagnetfeld

Die berechnete Dichte des äußeren Kerns ist niedriger als die von reinem Eisen, was auf die Existenz von Konvektion im äußeren Kern hinweist. Diese Konvektion ermöglicht die Erzeugung des Erdmagnetfeldes, wobei die Erde wie ein Dynamo funktioniert. Ein solches Feld existiert seit etwa 650 Millionen Jahren.

Das Geodynamo-Modell basiert auf der Existenz von Konvektionsströmen freier Elektronen im äußeren Kern. Die konvektive Bewegung könnte durch die allmähliche Abkühlung des Kerns angetrieben werden.

Die Erstarrung von geschmolzenem Material führt zu einer Zunahme der Dichte, was einen Abstieg dichterer Materialien und einen Aufstieg leichterer Flüssigkeiten im äußeren Kern bewirkt. Diese Bewegungen erzeugen die Ströme des Geodynamos, die zur Aufrechterhaltung des Magnetfeldes erforderlich sind.