Struktur und Zusammensetzung der Erde: Methoden und Modelle

Studie des Erdinneren: Struktur und Zusammensetzung der Geosphäre

Ein Großteil der Kenntnisse über die Struktur und Zusammensetzung der Geosphäre basiert auf indirekten Studien, da die direkte Beobachtung kaum 10 km Tiefe der Kruste überschreiten kann.

Direkte Methoden zur Erforschung der Erde

Direkte Methoden stützen sich auf die Analyse von Material, das durch Bohrungen oder Schürfungen gewonnen wird.

Indirekte Methoden zur Erforschung der Erde

Indirekte Methoden umfassen die Analyse und Interpretation der physikalischen Eigenschaften unseres Planeten:

• Das Verhalten seismischer Wellen
• Schwerkraft und Dichte
• Magnetismus
• Die Emission innerer Hitze
• Analyse von Meteoriten

Analyse von Meteoriten

Die Zusammensetzung von Meteoriten liefert Hinweise auf die innere Struktur der Erde:

• Siderite (Eisenmeteoriten): Bestehen hauptsächlich aus einer Legierung von 80 % bis 90 % Eisen und Nickel. Sie entsprechen in ihrer Zusammensetzung unserem Erdkern.
• Siderolithe (Stein-Eisen-Meteoriten): Bestehen aus einer Mischung von Silikaten und metallischem Eisen und Nickel. Sie gelten als Repräsentation der Zusammensetzung des Erdmantels.
• Felsige Meteoriten (Chondrite/Achondrite): Bestehen aus Natrium-, Kalium- und Kalziumsilikaten, ähnlich den meisten Gesteinen der Erdkruste.

Analyse der inneren Hitze (Geothermie)

Die Temperatur in der Kruste steigt mit zunehmender Tiefe um ca. 3 °C pro 100 m (geothermische Tiefenstufe). Im Zentrum der Erde beträgt die Temperatur ungefähr 4600 °C, wobei der innere Kern fest ist.

Analyse seismischer Wellen

Seismische Wellen, die vom Hypozentrum ausgehen, werden in zwei Haupttypen unterteilt:

• Primär- oder P-Wellen: Sind schnell und können sich sowohl durch Feststoffe als auch durch Flüssigkeiten ausbreiten.
• Sekundär- oder S-Wellen: Sind langsamer als P-Wellen und können sich nicht durch Flüssigkeiten ausbreiten.

Die Wellen breiten sich schneller aus, wenn das Material starrer ist, und bei gleicher Steifigkeit langsamer, wenn es dichter ist.

Struktur der Erde: Chemisches Modell

Das chemische Modell unterteilt die Erde in drei Hauptschichten:

1. Kruste: Die dünnste und oberflächlichste Schicht. Ihre Dicke variiert zwischen etwa 7 km unter dem Meeresboden und bis zu 70 km unter Gebirgsketten.
2. Mantel: Die Zwischenschicht zwischen Kruste und Kern. Sie hat eine Dicke von 2900 km und wird unterteilt in:
   • Oberer Mantel (bis 660 km Tiefe)
   • Unterer Mantel (zwischen 660 km und 2900 km Tiefe)
3. Kern (Nucli): Die innerste Schicht. Sie wird unterteilt in:
   • Äußerer Kern (zwischen 2900 km und 5150 km Tiefe)
   • Innerer Kern (zwischen 5150 km und dem Erdmittelpunkt bei 6371 km)

Struktur der Erde: Physikalisches Modell

Das physikalische Modell basiert auf den mechanischen Eigenschaften der Schichten:

1. Lithosphäre: Hat eine durchschnittliche Dicke von etwa 100 km. Sie ist starr und fest.
2. Asthenosphäre: Reicht bis zu 660 km Tiefe. Sie weist plastisches Verhalten auf.
3. Mesosphäre: Liegt zwischen der Asthenosphäre und dem Kern und erreicht eine Tiefe von 2900 km.
4. Endosphäre: Liegt zwischen der Mesosphäre und dem Erdmittelpunkt. Sie umfasst den äußeren und inneren Erdkern.

Lithosphäre und Asthenosphäre im Detail

Die Lithosphäre

Die Lithosphäre ist die starre, feste Oberflächenschicht der Erde. Sie besteht aus der Kruste und dem obersten Teil des Mantels. Die Lithosphäre ist in Fragmente, die tektonischen Platten, unterteilt, welche auf der Asthenosphäre „schwimmen“ und sich bewegen.

Die Asthenosphäre

Die Asthenosphäre ist die Schicht mit plastischem Verhalten, die sich unterhalb der Lithosphäre befindet. Sie weist eine hohe Plastizität auf, in der Magmaströme entstehen können. Ihre Steifigkeit nimmt schrittweise bis zur Tiefe von 660 km zu.

Klüfte und Verwerfungen (Störungen)

Klüfte und Risse im Gestein entstehen, wenn die auf das Gestein einwirkenden Spannungen die Grenze der Verformung und des Bruchs überschreiten.

Klüfte (Diaklasen)

Klüfte sind Brüche, bei denen es zu keiner Verschiebung eines Gesteinsblocks relativ zum anderen gekommen ist.

Verwerfungen (Störungen)

Verwerfungen sind Brüche, bei denen eine relative Verschiebung zwischen den beiden gebildeten Blöcken stattgefunden hat.

Falten

Falten sind Krümmungen, die in Gesteinsschichten entstehen, wenn diese tektonischen Kräften ausgesetzt sind und ein plastisches Verhalten zeigen.

Klassifikation von Falten nach Schichtalter

• Antiklinale Falten: Falten, bei denen die ältesten Schichten den Kern oder die zentrale Achse bilden.
• Synklinale Falten: Falten, bei denen die jüngeren Schichten den Kern oder die zentrale Achse bilden.

Klassifikation von Falten nach der Axialebene

Die Klassifikation erfolgt nach dem Winkel, den die Axialebene mit der Horizontalen bildet:

• Aufrechte Falte: Die Axialebene steht senkrecht zur Horizontalen (90°).
• Schiefe Falte: Die Axialebene bildet einen Winkel zwischen 45° und 90° mit der Horizontalen.
• Überkippte Falte: Die Axialebene bildet einen Winkel zwischen 0° und 45° mit der Horizontalen.
• Liegende Falte: Die Axialebene ist parallel zur Horizontalen (0°).

Erdbeben und Vulkane

Vulkane und Magma

Vulkane sind Strukturen, die sich um Öffnungen bilden, durch die Magma aus dem Erdinneren an die Oberfläche gelangt. Magma ist eine Flüssigkeit aus geschmolzenem Gestein (1000 °C bis 1200 °C), die reich an Gasen ist. Beim Austritt verliert das Magma die Gase und wird dann Lava genannt.

Arten von Eruptionen

• Zentrale Eruptionen (Punkt-Eruptionen): Treten auf, wenn Magma durch ein einzelnes Loch oder einen Schlot in der Erdkruste aufsteigt.
• Spalten-Eruptionen: Treten auf, wenn Magma durch einen langen Spalt oder Riss im Boden austritt.

Ausgeworfene Produkte bei Vulkanausbrüchen

• Pyroklasten: Feststoffe, die durch Abkühlung und Verfestigung entstehen. Abhängig von der Größe werden sie unterteilt in Asche, Lapilli und vulkanische Bomben.
• Lava: Die flüssige Masse, die entsteht, wenn Magma seine gasförmigen Bestandteile verliert.
• Gase: Die gasförmigen Bestandteile, die das Magma während der Eruption freisetzt.