5. Entwicklung des Mantels
5. Entwicklung des Mantels
5. Entwicklung des Mantels
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 1<br />
Vermutlich drei verschiedene Mantelbereiche<br />
1) Kontinentaler Lithosphärenmantel, dauerhaft der Konvektion<br />
entzogen, z.T. stark angereichert: Quelle von Kimberliten etc.<br />
2) Verarmter „oberer“ Mantel: MORB Quelle<br />
3) „Unterer“ Mantel, weniger verarmt: Quelle von Mantelplumes<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 2<br />
Kontinentaler<br />
Lithosphärenmantel<br />
Reicht z.T. bis in<br />
250-300 km Tiefe unter<br />
Archaischen<br />
Kontinenten<br />
Carlson et al 2005<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 3<br />
Kratonischer Mantel zeigt<br />
Anzeichen von hoher<br />
Aufschmelzung evtl. durch<br />
Komatiite, dadurch relativ<br />
Mg-reich und Ca-Al-Fe-arm<br />
Carlson et al 2005<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 4<br />
Stabilisiert durch hohe Aufschmelzung<br />
evtl. durch Komatiite, dadurch Fe-arm ><br />
geringere Dichte<br />
Carlson et al 2005<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 5<br />
Kontinentaler Lithosphärenmantel<br />
Mit deutlich niedrigeren Temperaturen<br />
als konvektierender Mantel, d.h.<br />
Geotherm verläuft flacher<br />
Carlson et al 2005<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 6<br />
Schnitt durch einen Archaischen Kraton mit inaktivem Mobile Belt und jungem Rift<br />
• Niedriger Geotherm <strong>des</strong> Kratons führt zu Anstieg <strong>des</strong> Graphit-Diamant Übergangs<br />
• Diamanten in Peridotiten und Eklogiten der Kratonwurzel auf, z.B. in Kimberliten (K),<br />
Orangeiten (O), Lamproiten (L) und selten in Melilititen (M)<br />
• Nephelinite (N) und Carbonatite entstehen durch höhere Aufschmelzung in Riftgebieten<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 7<br />
Verschiedene Typen an Peridotiten<br />
• Nonkratonisch 1A: Verarmte bis<br />
horizontale SEE Muster<br />
• Nonkratonisch 1B: angereichert<br />
durch Reaktion mit Schmelze<br />
oder Fluid<br />
• Kratonisch Niedrig-T: stark<br />
angereichert durch Reaktion mit<br />
Schmelze<br />
• Kratonisch Hoch-T: weniger<br />
angereichert als Niedrig-T<br />
Peridotit<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 8<br />
Kratonische Peridotit-Xenolithe<br />
Sehr angereicherte Mantelquellen in der<br />
archaischen Lithosphäre<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 9<br />
Kimberlite: Sehr angereicherte Mantelquellen vermutlich an der<br />
Basis der Lithosphäre<br />
Agashev et al 2001<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 10<br />
Ultramafische Xenolithe der Kratone mit besonderer Mineralogie:<br />
MARID- Mica Amphibole Rutile Ilmenite Diopside<br />
Sehr stark angereichert in inompatiblen Elementen: Kumulate von<br />
Lamproiten?<br />
Pearson et al 2003<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 11<br />
Kimberlite: Sehr alte angereicherte Mantelquellen vermutlich an der<br />
Basis der Lithosphäre<br />
Agashev et al 2001<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 12<br />
In Kimberliten auch Eklogit-Xenolithe, die wahrscheinlich Reste<br />
subduzierter Archaischer ozeanischer Kruste darstellen und die in der<br />
Lithosphäre stecken<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 13<br />
<strong>Entwicklung</strong> der Olivinzusammensetzung<br />
in Peridotiten mit dem Alter<br />
Die Aufschmelzgrade <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
nehmen mit abnehmendem Alter ab<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 14<br />
Verarmter „oberer“ Mantel: MORB Quelle<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 15<br />
Thermische <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> Erdmantels seit<br />
dem Archaikum in drei Phasen, die zu<br />
unterschiedlicher Verarmung <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong> führen<br />
1) Hohe Temperatur im unteren Mantel führt<br />
zu konvektivem „Overturn“, dabei massive<br />
Aufschmelzung flacher als 150 km.<br />
2) Overturn durch subduzierte Plattenmit<br />
hohem Aufschmelzen<br />
3) Heutige Gesamtmantel-Konvektion mit<br />
Aufschmelzung nur in flachen Tiefen<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 16<br />
Schon im Archaikum Hinweise auf verarmten Mantel mit hohen εNd<br />
McCulloch & Bennett, 1994<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 17<br />
Die Zusammensetzung der<br />
inkompatiblene Elemente der<br />
Kontinentalen Kruste und <strong>des</strong><br />
Mittelwerts <strong>des</strong> oberen<br />
verarmten <strong>Mantels</strong> sind<br />
komplementär, d.h. die<br />
Elemente aus dem Mantel<br />
reichern sich in der Kruste an<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 18<br />
Bestimmung der<br />
Zusammensetzung <strong>des</strong><br />
oberen <strong>Mantels</strong>/DMM<br />
aus N-MORB und<br />
Peridotiten anhand<br />
verschiedener<br />
Elementverhältnisse,<br />
z.B. Salters & Stracke,<br />
2003<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 19<br />
Verschiedene Methoden liefern ähnliche Zusammensetzungen von DMM<br />
Workman & Hart 2005<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 20<br />
Modell der <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong><br />
oberen verarmten <strong>Mantels</strong><br />
durch zunehmende Bildung<br />
von Kontinenten<br />
McCulloch & Bennett, 1994<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 21<br />
Schubweises Wachstum der Kontinente führt zu Phasen der<br />
verstärkten Mantelverarmung<br />
McCulloch & Bennett, 1994<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 22<br />
Das Pb Paradox<br />
Fast alle Gesteine<br />
der Erde,<br />
Kontinente, OIB<br />
und MORB haben<br />
höhere Pb<br />
Isotopenverhältniss<br />
e als die<br />
Gesamterde.<br />
Wo ist das<br />
unradiogene Pb?<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 23<br />
OIB und MORB haben die<br />
gleichen Nb/U, d.h. diese<br />
Elemente verhalten sich bei<br />
Aufschmelzprozessen gleich<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 24<br />
Nb/U zeigt, dass es<br />
keinen primitiven Mantel<br />
gibt<br />
Hofmann 1997<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 25<br />
Variation der Isotopenverhältnisse in OIB und MORB<br />
Große Variationen, die über hunderte von Millionen Jahren entstanden<br />
Verschiedene Endglieder sind definiert worden<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 26<br />
Variation der Isotopenverhältnisse in OIB und MORB<br />
Spiegelt die Variation Mischung verschiedener Endglieder wieder oder<br />
gibt es genau diese Zusammensetzung im Erdmantel?<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 27<br />
Sehr heterogene Magmen aus dem<br />
oberen Mantel an „off-axis Seamounts“<br />
<strong>des</strong> EPR, z.B. Niu & Batiza 1997<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 28<br />
Vulkanismus an abgestorbenen<br />
Spreizungsachsen, z.B. Galapagos Rise<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 29<br />
Variation der Isotope ähnlich zu der <strong>des</strong> EPR und EPR Seamounts<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 30<br />
Angereicherte Komponente in OIB und E-<br />
MORB durch Recykling von ozeanischer<br />
Kruste, die durch Entwässerung an<br />
Subduktionszonen in mobilen Elementen<br />
verarmt wurde, z.B. Niu & O‘Hara 2003<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 31<br />
MORB Mantel vermutlich nicht homogen<br />
verarmt, sondern enthält angereicherte<br />
Komponenten, möglicherweise aus<br />
recykeltem Krustenmaterial<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 32<br />
Mögliches Szenario <strong>des</strong> Recyklings von<br />
Krustenmaterial in den Mantel und der<br />
Bildung von Magmenquellen sowohl von<br />
MORB im oberen Mantel als auch von OIB<br />
im unteren Mantel<br />
Davies 2011<br />
Chemische Geodynamik<br />
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<strong>5.</strong> <strong>Entwicklung</strong> <strong>des</strong> <strong>Mantels</strong><br />
Folie 33<br />
Chemische Geodynamik<br />
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