Erdinneres und Plattentektonik

Erdinneres &Plattentektonik Copyright © 1995-2009 von Rosanna L. Hamilton.Alle Rechte vorbehalten. Eine Theorie ist ein Werkzeug – kein Glaubensbekenntnis. -J. J. Thomson

Das Innere der Erde

Wie ein Kind ein ungeöffnetes Geschenk schüttelt, um dessen Inhalt zu entdecken, so muss der Mensch dem Klang und der Vibration unserer Erde lauschen, um ihren Inhalt zu entdecken. Dies geschieht durch die Seismologie, die zur wichtigsten Methode bei der Untersuchung des Erdinneren geworden ist.Seismos ist ein griechisches Wort, das Schock bedeutet; ähnlich wie Erdbeben, schütteln oder heftig bewegt. Die Seismologie auf der Erde befasst sich mit der Untersuchung von Erschütterungen, die durch Erdbeben, den Einschlag von Meteoriten oder durch künstliche Einwirkungen wie Explosionen hervorgerufen werden. Bei diesen Ereignissen wird ein Seismograph verwendet, um die tatsächlichen Bewegungen und Vibrationen innerhalb der Erde und des Bodens zu messen und aufzuzeichnen.

Wissenschaftler kategorisieren seismische Bewegungen in vier Arten von Diagnosewellen, die sich mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 15 Kilometern (1,9 bis 9,4 Meilen) pro Sekunde bewegen. Zwei der Wellen bewegen sich in rollenden Wellen auf der Erdoberfläche. Die beiden anderen, die primären (P) oder Kompressionswellen und die sekundären (S) oder Scherwellen, dringen in das Erdinnere ein. Primärwellen komprimieren und dehnen die Materie, die sie durchdringen (Gestein oder Flüssigkeit), ähnlich wie Schallwellen, und können sich doppelt so schnell bewegen wie S-Wellen.Sekundärwellen breiten sich durch Gestein aus, können aber keine Flüssigkeit durchdringen. Sowohl P- als auch S-Wellen werden an Stellen gebrochen oder reflektiert, an denen Schichten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften aufeinandertreffen. Außerdem nehmen sie an Geschwindigkeit ab, wenn sie sich durch heißeres Material bewegen. Diese Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen sind das Mittel zur Lokalisierung von Diskontinuitäten.

Unterteilungen im Erdinneren
(Nach Beatty, 1990.)

Seismische Diskontinuitäten helfen bei der Unterteilung der Erde in inneren Kern, äußeren Kern, D“, unteren Mantel, Übergangsbereich, oberen Mantel und Kruste (ozeanisch und kontinental). Spätere Diskontinuitäten wurden auch durch seismische Tomographie unterschieden und kartiert, sollen hier aber nicht diskutiert werden.

• Innerer Kern: 1,7 % der Erdmasse; Tiefe von 5.150-6.370 Kilometern (3.219 – 3.981 Meilen)
  Der innere Kern ist fest und nicht mit dem Mantel verbunden, sondern schwebt im geschmolzenen äußeren Kern. Es wird vermutet, dass er sich durch Druckgefrieren verfestigt hat, das bei den meisten Flüssigkeiten auftritt, wenn die Temperatur sinkt oder der Druck steigt.
• Äußerer Kern: 30,8% der Erdmasse; Tiefe von 2.890-5.150 Kilometern (1.806 – 3.219 Meilen)
  Der äußere Kern ist eine heiße, elektrisch leitende Flüssigkeit, in der konvektive Bewegungen stattfinden. Diese leitende Schicht erzeugt in Verbindung mit der Erdrotation einen dynamischen Effekt, der ein System elektrischer Ströme aufrechterhält, das als Magnetfeld der Erde bekannt ist. Sie ist auch für das subtile Ruckeln der Erdrotation verantwortlich. Diese Schicht ist nicht so dicht wie reines geschmolzenes Eisen, was auf das Vorhandensein von leichteren Elementen hinweist. Die Wissenschaftler vermuten, dass etwa 10 % der Schicht aus Schwefel und/oder Sauerstoff bestehen, da diese Elemente im Kosmos reichlich vorhanden sind und sich leicht in geschmolzenem Eisen lösen.
• D“: 3% der Erdmasse; Tiefe von 2.700-2.890 Kilometern (1.688 – 1.806 Meilen)
  Diese Schicht ist 200 bis 300 Kilometer (125 bis 188 Meilen) dick und macht etwa 4% der Erdmantelkrustenmasse aus. Obwohl sie häufig als Teil des unteren Mantels identifiziert wird, deuten seismische Diskontinuitäten darauf hin, dass sich die „D“-Schicht chemisch von dem darüber liegenden unteren Mantel unterscheiden könnte. Wissenschaftler vermuten, dass sich das Material entweder im Kern aufgelöst hat oder aufgrund seiner Dichte zwar durch den Mantel, aber nicht in den Kern sinken konnte.
• Unterer Erdmantel: 49,2 % der Erdmasse; Tiefe von 650 bis 2.890 Kilometern
  Der untere Mantel enthält 72,9 % der Mantelkrustenmasse und besteht wahrscheinlich hauptsächlich aus Silizium, Magnesium und Sauerstoff. Wahrscheinlich enthält er auch etwas Eisen, Kalzium und Aluminium. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Erde eine ähnliche Häufigkeit und ein ähnliches Verhältnis von kosmischen Elementen aufweist wie die Sonne und primitive Meteoriten.
• Übergangsbereich: 7,5 % der Erdmasse; Tiefe von 400-650 Kilometern (250-406 Meilen)
  Der Übergangsbereich oder die Mesosphäre (für den mittleren Erdmantel), die manchmal auch als fruchtbare Schicht bezeichnet wird, enthält 11,1 % der Erdmantelkrustenmasse und ist die Quelle der Basaltmagmen. Sie enthält auch Kalzium, Aluminium und Granat, ein komplexes, aluminiumhaltiges Silikatmineral. Wegen des Granats ist diese Schicht in kaltem Zustand dicht. Im heißen Zustand ist sie schwimmfähig, weil diese Mineralien leicht zu Basalt schmelzen, das dann als Magma durch die oberen Schichten aufsteigen kann.
• Oberer Erdmantel: 10,3 % der Erdmasse; Tiefe von 10-400 Kilometern
  Der obere Mantel enthält 15,3 % der Mantelkrustenmasse. Fragmente wurden durch erodierte Gebirgsgürtel und Vulkanausbrüche für unsere Beobachtung freigelegt. Olivin (Mg,Fe)2SiO4 und Pyroxen(Mg,Fe)SiO3 sind die wichtigsten Minerale, die auf diese Weise gefunden wurden. Diese und andere Minerale sind feuerfest und kristallisieren bei hohen Temperaturen; daher setzen sich die meisten aus dem aufsteigenden Magma ab und bilden entweder neues Krustenmaterial oder verlassen den Erdmantel nie. Ein Teil des oberen Erdmantels, die Asthenosphäre, kann teilweise geschmolzen sein.
• Ozeanische Kruste: 0,099% der Erdmasse; Tiefe von 0-10 Kilometern
  Die ozeanische Kruste enthält 0,147% der Mantelkrustenmasse. Der größte Teil der Erdkruste ist durch vulkanische Aktivität entstanden. Das System der ozeanischen Rücken, ein 40.000 km langes Netz von Vulkanen, erzeugt neue ozeanische Kruste mit einer Rate von 17 km3 pro Jahr und bedeckt den Ozeanboden mit Basalt.Hawaii und Island sind zwei Beispiele für die Ansammlung von Basalthaufen.
• Kontinentale Kruste: 0,374% der Erdmasse; Tiefe von 0-50 Kilometern.
  Die kontinentale Kruste enthält 0,554% der Masse der Erdkruste. Dies ist der äußere Teil der Erde, der im Wesentlichen aus kristallinen Gesteinen besteht. Dabei handelt es sich um schwimmfähige Minerale mit geringer Dichte, die hauptsächlich aus Quarz (SiO2) und Feldspat (metallarme Silikate) bestehen.Die Kruste (sowohl die ozeanische als auch die kontinentale) ist die Oberfläche der Erde und damit der kälteste Teil unseres Planeten. Da sich kalte Gesteine nur langsam verformen, bezeichnet man diese starre äußere Hülle als Lithosphäre (die harte oder feste Schicht).

Die Lithosphäre &Plattentektonik

Ozeanische Lithosphäre

Die starre, äußerste Schicht der Erde, die aus der Kruste und dem oberen Erdmantel besteht, wird Lithosphäre genannt. Neue ozeanische Lithosphäre bildet sich durch Vulkanismus in Form von Rissen an mittelozeanischen Gürteln, die den Globus umschließen. Die Wärme entweicht aus dem Inneren, wenn diese neue Lithosphäre von unten auftaucht. Sie kühlt sich allmählich ab, zieht sich zusammen und bewegt sich vom Rücken weg über den Meeresboden zu den Subduktionszonen in einem Prozess, der als Spreizung des Meeresbodens bezeichnet wird. Mit der Zeit verdickt sich die ältere Lithosphäre und wird schließlich dichter als der darunter liegende Erdmantel, so dass sie in einem steilen Winkel in die Erde zurücksinkt (subduziert) und das Erdinnere abkühlt. Die Subduktion ist die Hauptmethode zur Abkühlung des Mantels unterhalb von 100 Kilometern (62,5 Meilen). Wenn die Lithosphäre jung und daher an einer Subduktionszone heißer ist, wird sie in einem geringeren Winkel in das Erdinnere zurückgedrückt.

Kontinentale Lithosphäre

Die kontinentale Lithosphäre ist etwa 150 Kilometer dick und besteht aus einer Kruste mit geringer Dichte und einem oberen Erdmantel, der ständig Auftrieb hat.Die Kontinente driften seitlich entlang des Konvektionssystems des Erdmantels weg von heißen Mantelzonen hin zu kühleren, ein Prozess, der als Kontinentaldrift bezeichnet wird. Die meisten Kontinente befinden sich heute auf kühleren Bereichen des Erdmantels oder bewegen sich dorthin, mit Ausnahme von Afrika. Afrika war einst der Kern von Pangaea, einem Superkontinent, der schließlich in die heutigen Kontinente zerbrach. Mehrere hundert Millionen Jahre vor der Bildung von Pangaea waren die südlichen Kontinente – Afrika, Südamerika, Australien, die Antarktis und Indien – in dem so genannten Gondwana zusammengeschlossen.

Plattentektonik

Krustische Plattengrenzen
(Mit freundlicher Genehmigung des NGDC)

Plattentektonik umfasst die Bildung, seitliche Bewegung, Interaktion und Zerstörung der lithosphärischen Platten. Durch diesen Prozess wird ein Großteil der Wärme im Erdinneren abgeführt, und viele der großen strukturellen und topografischen Merkmale der Erde werden dadurch geformt. Kontinentale Grabenbrüche und ausgedehnte Basaltplateaus entstehen beim Auseinanderbrechen der Platten, wenn Magma aus dem Erdmantel auf den Meeresboden aufsteigt, neue Kruste bildet und mittelozeanische Rücken trennt. Die Lithosphäre der Erde ist derzeit in acht große Platten und etwa zwei Dutzend kleinere Platten unterteilt, die mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 10 Zentimetern pro Jahr über den Erdmantel driften. Bei den acht großen Platten handelt es sich um die Afrikanische, die Antarktische, die Eurasische, die Indisch-Australische, die Nazca-, die Nordamerikanische, die Pazifische und die Südamerikanische Platte. Einige der kleineren Platten sind die anatolische, die arabische, die karibische, die Cocos-, die philippinische und die somalische Platte.

Beatty, J. K. und A. Chaikin, eds. The New Solar System.Massachusetts: Sky Publishing, 3. Auflage, 1990.

Press, Frank und Raymond Siever. Earth. New York: W. H. Freemanand Company, 1986.

Seeds, Michael A. Horizons. Belmont, California: Wadsworth, 1995.