Vulkane und Geochemie: Fenster in den Erdmantel
Vulkane und Geochemie: Fenster in den Erdmantel
Vulkane und Geochemie: Fenster in den Erdmantel
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<strong>Vulkane</strong> <strong>und</strong> <strong>Geochemie</strong>:<br />
<strong>Fenster</strong> <strong>in</strong> <strong>den</strong> <strong>Erdmantel</strong><br />
Andreas Klügel<br />
Universität Bremen, Geowissenschaften, Fachgebiet "Petrologie der Ozeankruste"<br />
www.ozeankruste-bremen.de<br />
Ätna, 5.10.1998 (A.K.)
<strong>Vulkane</strong>: großartiges Naturschauspiel...<br />
Pu'u O'o, Hawaii, 1983 (© J.D. Griggs, USGS)
Vulkan-Magma-System<br />
...<strong>und</strong> Probenlieferant aus der Tiefe<br />
Lava (Basalte u.a.)<br />
Xenolithe aus der Kruste<br />
Xenolithe aus dem Mantel<br />
Basalt-<strong>Geochemie</strong><br />
H<strong>in</strong>weise auf geologische<br />
Prozesse <strong>in</strong> <strong>den</strong> größten Tiefen...<br />
fast bis <strong>in</strong> <strong>den</strong> Erdkern!
Probennahme<br />
Globale Manteldynamik<br />
Analysen<br />
Zusammensetzung der Mantelquelle<br />
Gesetzmäßigkeiten
Wo gibt es überhaupt <strong>Vulkane</strong>?<br />
Ke<strong>in</strong> Vulkanismus ohne Plattentektonik!<br />
• Hotspots unter Ozeanen <strong>und</strong> Kont<strong>in</strong>enten<br />
• Subduktionszonen (Ozean-Kont<strong>in</strong>ent <strong>und</strong> Ozean-Ozean)<br />
• Mittelozeanische Rücken
<strong>Vulkane</strong> <strong>und</strong> Plattentektonik<br />
Subduktionszone Hotspot Mittelozeanischer<br />
Rücken<br />
plastischer<br />
Mantel:<br />
Astenosphäre<br />
Subduktionszone<br />
Kruste<br />
+<br />
spröder<br />
Mantel<br />
Lithosphäre<br />
Die Astenosphäre ist plastisch, aber nicht flüssig!!
Was ist der Antrieb der Plattentektonik?<br />
Konvektionsströmungen im festen Mantel<br />
(© Fowler, 2005, The Solid Earth)
Aufbau der Erde<br />
(Frankfurter Allgeme<strong>in</strong>e Zeitung, 1.9.2002)<br />
D''-Schicht<br />
(© John W<strong>in</strong>ter, Igneous<br />
Petrology Onl<strong>in</strong>e-Script)
um 1975<br />
Vere<strong>in</strong>fachtes Konvektionsmodell des Mantels<br />
(© John W<strong>in</strong>ter, Igneous Petrology Onl<strong>in</strong>e-<br />
Script; after Basaltic Volcanism Study<br />
Project (1981), Lunar and Planetary<br />
Institute)<br />
modern, aber<br />
umstritten
Bildung ozeanischer Kruste an <strong>den</strong> mittelozeanischen Rücken<br />
Meist passives Spread<strong>in</strong>g:<br />
(aus Press & Siever, Understand<strong>in</strong>g Earth, Freeman 1998)<br />
Platten driften ause<strong>in</strong>ander, Geste<strong>in</strong> des oberen Mantels<br />
steigt auf <strong>und</strong> beg<strong>in</strong>nt durch Druckentlastung zu schmelzen.
Wie alt wird die Ozeankruste?<br />
Die Magnetisierungsrichtungen der Basalte zeigen:<br />
Ozeankruste wird im Mittel nur ca. 80 Mio. Jahre alt,<br />
maximal 200 Mio. Jahre - dann Subduktion!
Tauchen subduzierte Platten <strong>in</strong> <strong>den</strong> unteren Mantel ab?
Tauchen subduzierte Platten <strong>in</strong> <strong>den</strong> unteren Mantel ab?
Zurück zum Vulkanismus: Basalt ist nicht Basalt<br />
Mittelozeanische<br />
Rücken<br />
Kissenlava unter dem Meer (© R. Pyle)<br />
"tholeiitische" Basalte, das<br />
häufigste Vulkangeste<strong>in</strong>:<br />
MORB<br />
(mid-ocean ridge basalt)<br />
Hotspot-<br />
Vulkanismus<br />
Hawaii (© C. Heliker, USGS)<br />
überwiegend<br />
"alkalische" <strong>und</strong><br />
"tholeiitische" Basalte:<br />
OIB<br />
(ocean island basalt)<br />
Subduktions-<br />
Vulkanismus<br />
Yasur, Vanuatu (© R. Carniel, Stromboli-Onl<strong>in</strong>e)<br />
recht unterschiedliche<br />
Basalte <strong>und</strong> hochdifferenzierte<br />
Laven:<br />
Subduktions-/<br />
Inselbogen-Basalte<br />
Die Basalte dieser <strong>Vulkane</strong> s<strong>in</strong>d f<strong>und</strong>amental verschie<strong>den</strong>!
<strong>Geochemie</strong> 1: Seltene-Er<strong>den</strong>-Elemente (SEE)<br />
• Fast i<strong>den</strong>tische chemische <strong>und</strong> physikalische Eigenschaften der SEE<br />
• Gleichmäßige Abnahme der Ionenradien von Lanthan (La) bis Lutetium (Lu)<br />
• Dadurch verschie<strong>den</strong> guter E<strong>in</strong>bau der verschie<strong>den</strong>en SEE <strong>in</strong> Kristallgitter
<strong>Geochemie</strong> 1: Seltene-Er<strong>den</strong>-Elemente (SEE)<br />
partielle Schmelze<br />
des Restits<br />
← <strong>in</strong>kompatibel<br />
(bevorzugt Schmelze)<br />
partielle<br />
Schmelze<br />
Mantelgeste<strong>in</strong><br />
Restit (verarmter Mantel)<br />
→ kompatibel<br />
(bevorzugt Geste<strong>in</strong>)
<strong>Geochemie</strong> 1: Seltene-Er<strong>den</strong>-Elemente (SEE)
<strong>Geochemie</strong> 1: Seltene-Er<strong>den</strong>-Elemente (SEE)<br />
F<strong>und</strong>amentale Unterschiede der Basalte der Ozeanbecken:<br />
MORB:<br />
entstammen fast durchweg aus e<strong>in</strong>em chemisch verarmten Mantel<br />
OIB (<strong>und</strong> Subduktions-Basalte der Inselbögen):<br />
be<strong>in</strong>halten e<strong>in</strong>e weniger verarmte bis angereicherte ("fertile") Mantelquelle
<strong>Geochemie</strong> 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm")<br />
Mobile<br />
Elemente<br />
Immobile<br />
Elemente<br />
Seltene-Er<strong>den</strong><br />
Elemente<br />
zunehmend <strong>in</strong>kompatibel (bevorzugt <strong>in</strong> Schmelze)
<strong>Geochemie</strong> 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm")<br />
Basalte der ozeanischen Becken: • negative Pb-Anomalien<br />
• positive Nb,Ta-Anomalien<br />
• MORB verarmt, OIB angereichert<br />
an <strong>in</strong>kompatiblen Elementen
<strong>Geochemie</strong> 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm")<br />
Subduktionsbezogene Basalte: • positive Pb-Anomalien<br />
• negative Nb,Ta-Anomalien<br />
• angereichert an mobilen Elementen
<strong>Geochemie</strong> 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm")<br />
Zusammenfassung Spurenelemente:<br />
• Die Mantelquelle der meisten Mittelozeanischen Rücken-Basalte (MORB)<br />
ist chemisch verarmt <strong>und</strong> relativ homogen<br />
• Die Mantelquelle von Ozean<strong>in</strong>sel-Basalten (OIB) <strong>und</strong> der meisten<br />
Subduktions-Basalte ist angereicherter <strong>und</strong> heterogener als MORB<br />
• Die Basalte der ozeanischen Becken (MORB <strong>und</strong> OIB) zeigen positive<br />
Nb-Ta- <strong>und</strong> negative Pb-Anomalien.<br />
• Subduktions-Basalte zeigen negative Nb-Ta- <strong>und</strong> positive Pb-Anomalien.<br />
Konsequenzen für Modelle der globalen Manteldynamik!
<strong>Geochemie</strong> <strong>und</strong> Manteldynamik, Folgerungen 1<br />
(aus Press & Siever, Understand<strong>in</strong>g Earth, Freeman 1998)<br />
• Der obere Mantel ist durch die Bildung der kont<strong>in</strong>entalen<br />
Kruste über lange Zeiträume chemisch verarmt.<br />
• Die von <strong>den</strong> OIB beprobten tieferen Mantelbereiche s<strong>in</strong>d<br />
weniger verarmt bis angereichert <strong>und</strong> sehr heterogen.<br />
• Oberer <strong>und</strong> unterer Mantel s<strong>in</strong>d chemisch verschie<strong>den</strong>!
<strong>Geochemie</strong> <strong>und</strong> Manteldynamik, Folgerungen 2<br />
(aus Press & Siever, Understand<strong>in</strong>g Earth, Freeman 1998)<br />
• Ozeankruste verliert Pb durch hydrothermale Aktivität, lagert<br />
sich <strong>in</strong> Sedimenten ab: negative Pb-Anomalie.<br />
• Bei der Subduktion gelangt viel Pb durch Fluide <strong>in</strong> die<br />
Magmen: positive Pb-Anomalie der Subduktions-Basalte.<br />
• Wie kommt die negative Pb-Anomalie zu <strong>den</strong> OIB?
<strong>Geochemie</strong> <strong>und</strong> Manteldynamik, Folgerungen 3<br />
(aus Press & Siever, Understand<strong>in</strong>g Earth, Freeman 1998)<br />
• Bei der Subduktion bleiben Nb <strong>und</strong> Ta im Mantel zurück:<br />
negative Nb-Ta-Anomalie der Subduktions-Basalte.<br />
• Der obere Mantel reichert sich dadurch <strong>in</strong> geologischer Zeit<br />
mit Nb <strong>und</strong> Ta an: positive Nb-Ta-Anomalie der MORB.<br />
• Wie kommt die positive Nb-Ta-Anomalie zu <strong>den</strong> OIB?
Hofmann & White (1982): Recycl<strong>in</strong>g subduzierter Ozeankruste<br />
• Subduktion erzeugt permanent Heterogenitäten im <strong>Erdmantel</strong><br />
• Subduzierte Ozeankruste: bis zu 10 Gew.% des <strong>Erdmantel</strong>s!<br />
• Recycl<strong>in</strong>g "vererbt" geochemische Eigenschaften an OIB
Hofmann & White (1982): Recycl<strong>in</strong>g subduzierter Ozeankruste<br />
(© John W<strong>in</strong>ter, Igneous Petrology Onl<strong>in</strong>e-Script)<br />
Modell zu vere<strong>in</strong>facht, da ke<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>heitliche OIB-Quelle: Isotope!
<strong>Geochemie</strong> 3: mehr E<strong>in</strong>blicke durch radiogene Isotope<br />
(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)<br />
• Pr<strong>in</strong>zip: Isotopenverhältnisse ändern sich über geologisch lange<br />
Zeiträume durch radioaktiven Zerfall.<br />
• Ausbildung verschie<strong>den</strong>er Reservoire durch Schmelzbildung.
<strong>Geochemie</strong> 3: mehr E<strong>in</strong>blicke durch radiogene Isotope<br />
143 Nd/ 144 Nd<br />
87 Sr/ 86 Sr<br />
(© John W<strong>in</strong>ter, Igneous Petrology Onl<strong>in</strong>e-Script)<br />
Der "Mantel Array": Hotspot ist nicht gleich Hotspot
<strong>Geochemie</strong> 3: mehr E<strong>in</strong>blicke durch radiogene Isotope<br />
(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)<br />
• DMM:<br />
Depleted MORB Mantle, also<br />
verarmter Mantel<br />
• EM1:<br />
Enriched Mantle 1, ähnelt<br />
kont<strong>in</strong>entaler Unterkruste<br />
<strong>und</strong> subkont<strong>in</strong>ent. Mantel<br />
• EM2:<br />
Enriched Mantle 2, ähnelt<br />
kont<strong>in</strong>entaler Oberkruste<br />
(subduzierte Sedimente)<br />
• HIMU:<br />
High µ = hohes 238 U/ 204 Pb,<br />
alte hydrothermal veränderte<br />
Ozeankruste<br />
OIB-Mantelquellen bestehen aus verschie<strong>den</strong>en Komponenten<br />
(Reservoire), die sich über 1-2 Ga h<strong>in</strong>weg entwickelt haben.
<strong>Geochemie</strong> 3: mehr E<strong>in</strong>blicke durch radiogene Isotope<br />
(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)<br />
Andere Isotopensysteme zeigen ebenfalls verschie<strong>den</strong>e OIB-Arrays
Der Mantel-Zoo<br />
(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)<br />
Jeder Hotspot hat se<strong>in</strong>en eigenen Isotopengeschmack!
E<strong>in</strong> mögliches Modell der dynamischen Erde<br />
(Juteau & Maury 1999, nach Davies <strong>und</strong> Richards 1992)
E<strong>in</strong> mögliches Modell der dynamischen Erde<br />
(© Best <strong>und</strong> Christiansen, 2000)
Universität Münster, Geodynamik / Prof. Hansen<br />
Filme von Modellen der Mantelkonvektion<br />
Oben:<br />
Universität Frankfurt, Institut für<br />
Geophysik / H. Schmel<strong>in</strong>g<br />
Unten:<br />
Universität Münster,<br />
Geodynamik / U. Hansen
Offene Fragen<br />
• Gibt es unterschiedliche Konvektionszellen im oberen <strong>und</strong><br />
unteren Mantel, oder ist die Konvektion<br />
mantelübergreifend?<br />
• Welche Plumes stammen aus der Kern-Mantel-Grenze,<br />
welche aus der 670-km-Grenze?<br />
• Gibt es überhaupt Mantel-Plumes?<br />
• Wie genau wird die Ozeankruste bei der Subduktion<br />
chemisch verändert?
Das war's...<br />
Pico de Fogo, Kapver<strong>den</strong> (A.K.)
Aufbau der Erde<br />
Besonderheiten:<br />
Lithosphäre: feste Platten,<br />
thermische Grenzschicht<br />
660-km-Diskont<strong>in</strong>uität:<br />
Grenze oberer-unterer Mantel,<br />
Sprung von Dichte + Viskosität<br />
D"-Schicht: Kern-Mantel-Grenze,<br />
thermische Grenzschicht, starke<br />
Abnahme der Viskosität
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