Vulkane und Geochemie: Fenster in den Erdmantel

Transkript

1 Vulkane und Geochemie: Fenster in den Erdmantel Andreas Klügel Universität Bremen, Geowissenschaften, Fachgebiet "Petrologie der Ozeankruste" Ätna, (A.K.)

2 Vulkane: großartiges Naturschauspiel... Pu'u O'o, Hawaii, 1983 ( J.D. Griggs, USGS)

3 ...und Probenlieferant aus der Tiefe Lava (Basalte u.a.) Xenolithe aus der Kruste Xenolithe aus dem Mantel Basalt-Geochemie Vulkan-Magma-System Hinweise auf geologische Prozesse in den größten Tiefen... fast bis in den Erdkern!

4 Analysen Probennahme Gesetzmäßigkeiten Globale Manteldynamik Zusammensetzung der Mantelquelle

5 Wo gibt es überhaupt Vulkane? Kein Vulkanismus ohne Plattentektonik! Hotspots unter Ozeanen und Kontinenten Subduktionszonen (Ozean-Kontinent und Ozean-Ozean) Mittelozeanische Rücken

6 Vulkane und Plattentektonik Subduktionszone Hotspot plastischer Mantel: Astenosphäre Mittelozeanischer Rücken Subduktionszone Kruste + spröder Mantel Lithosphäre Die Astenosphäre ist plastisch, aber nicht flüssig!!

7 Was ist der Antrieb der Plattentektonik? Konvektionsströmungen im festen Mantel ( Fowler, 2005, The Solid Earth)

8 Aufbau der Erde D''-Schicht (Frankfurter Allgemeine Zeitung, ) ( John Winter, Igneous Petrology Online-Script)

9 Vereinfachtes Konvektionsmodell des Mantels modern, aber umstritten um 1975 ( John Winter, Igneous Petrology Online- Script; after Basaltic Volcanism Study Project (1981), Lunar and Planetary Institute)

10 Bildung ozeanischer Kruste an den mittelozeanischen Rücken (aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998) Meist passives Spreading: Platten driften auseinander, Gestein des oberen Mantels steigt auf und beginnt durch Druckentlastung zu schmelzen.

11 Wie alt wird die Ozeankruste? Die Magnetisierungsrichtungen der Basalte zeigen: Ozeankruste wird im Mittel nur ca. 80 Mio. Jahre alt, maximal 200 Mio. Jahre - dann Subduktion!

12 Tauchen subduzierte Platten in den unteren Mantel ab?

13 Tauchen subduzierte Platten in den unteren Mantel ab?

14 Zurück zum Vulkanismus: Basalt ist nicht Basalt Mittelozeanische Rücken Hotspot- Vulkanismus Subduktions- Vulkanismus Kissenlava unter dem Meer ( R. Pyle) "tholeiitische" Basalte, das häufigste Vulkangestein: MORB (mid-ocean ridge basalt) Hawaii ( C. Heliker, USGS) überwiegend "alkalische" und "tholeiitische" Basalte: OIB (ocean island basalt) Yasur, Vanuatu ( R. Carniel, Stromboli-Online) recht unterschiedliche Basalte und hochdifferenzierte Laven: Subduktions-/ Inselbogen-Basalte Die Basalte dieser Vulkane sind fundamental verschieden!

15 Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE) Fast identische chemische und physikalische Eigenschaften der SEE Gleichmäßige Abnahme der Ionenradien von Lanthan (La) bis Lutetium (Lu) Dadurch verschieden guter Einbau der verschiedenen SEE in Kristallgitter

16 Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE) partielle Schmelze partielle Schmelze des Restits Mantelgestein Restit (verarmter Mantel) inkompatibel (bevorzugt Schmelze) kompatibel (bevorzugt Gestein)

17 Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)

18 Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE) Fundamentale Unterschiede der Basalte der Ozeanbecken: MORB: entstammen fast durchweg aus einem chemisch verarmten Mantel OIB (und Subduktions-Basalte der Inselbögen): beinhalten eine weniger verarmte bis angereicherte ("fertile") Mantelquelle

19 Geochemie 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm") Mobile Elemente Immobile Elemente Seltene-Erden Elemente zunehmend inkompatibel (bevorzugt in Schmelze)

20 Geochemie 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm") Basalte der ozeanischen Becken: negative Pb-Anomalien positive Nb,Ta-Anomalien MORB verarmt, OIB angereichert an inkompatiblen Elementen

21 Geochemie 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm") Subduktionsbezogene Basalte: positive Pb-Anomalien negative Nb,Ta-Anomalien angereichert an mobilen Elementen

22 Geochemie 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm") Zusammenfassung Spurenelemente: Die Mantelquelle der meisten Mittelozeanischen Rücken-Basalte (MORB) ist chemisch verarmt und relativ homogen Die Mantelquelle von Ozeaninsel-Basalten (OIB) und der meisten Subduktions-Basalte ist angereicherter und heterogener als MORB Die Basalte der ozeanischen Becken (MORB und OIB) zeigen positive Nb-Ta- und negative Pb-Anomalien. Subduktions-Basalte zeigen negative Nb-Ta- und positive Pb-Anomalien. Konsequenzen für Modelle der globalen Manteldynamik!

23 Geochemie und Manteldynamik, Folgerungen 1 (aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998) Der obere Mantel ist durch die Bildung der kontinentalen Kruste über lange Zeiträume chemisch verarmt. Die von den OIB beprobten tieferen Mantelbereiche sind weniger verarmt bis angereichert und sehr heterogen. Oberer und unterer Mantel sind chemisch verschieden!

24 Geochemie und Manteldynamik, Folgerungen 2 (aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998) Ozeankruste verliert Pb durch hydrothermale Aktivität, lagert sich in Sedimenten ab: negative Pb-Anomalie. Bei der Subduktion gelangt viel Pb durch Fluide in die Magmen: positive Pb-Anomalie der Subduktions-Basalte. Wie kommt die negative Pb-Anomalie zu den OIB?

25 Geochemie und Manteldynamik, Folgerungen 3 (aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998) Bei der Subduktion bleiben Nb und Ta im Mantel zurück: negative Nb-Ta-Anomalie der Subduktions-Basalte. Der obere Mantel reichert sich dadurch in geologischer Zeit mit Nb und Ta an: positive Nb-Ta-Anomalie der MORB. Wie kommt die positive Nb-Ta-Anomalie zu den OIB?

26 Hofmann & White (1982): Recycling subduzierter Ozeankruste Subduktion erzeugt permanent Heterogenitäten im Erdmantel Subduzierte Ozeankruste: bis zu 10 Gew.% des Erdmantels! Recycling "vererbt" geochemische Eigenschaften an OIB

27 Hofmann & White (1982): Recycling subduzierter Ozeankruste ( John Winter, Igneous Petrology Online-Script) Modell zu vereinfacht, da keine einheitliche OIB-Quelle: Isotope!

28 Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope ( H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie) Prinzip: Isotopenverhältnisse ändern sich über geologisch lange Zeiträume durch radioaktiven Zerfall. Ausbildung verschiedener Reservoire durch Schmelzbildung.

29 Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope 143 Nd/ 144 Nd 87 Sr/ 86 Sr ( John Winter, Igneous Petrology Online-Script) Der "Mantel Array": Hotspot ist nicht gleich Hotspot

30 Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope ( H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie) DMM: Depleted MORB Mantle, also verarmter Mantel EM1: Enriched Mantle 1, ähnelt kontinentaler Unterkruste und subkontinent. Mantel EM2: Enriched Mantle 2, ähnelt kontinentaler Oberkruste (subduzierte Sedimente) HIMU: High µ = hohes 238 U/ 204 Pb, alte hydrothermal veränderte Ozeankruste OIB-Mantelquellen bestehen aus verschiedenen Komponenten (Reservoire), die sich über 1-2 Ga hinweg entwickelt haben.

31 Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope ( H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie) Andere Isotopensysteme zeigen ebenfalls verschiedene OIB-Arrays

32 Der Mantel-Zoo ( H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie) Jeder Hotspot hat seinen eigenen Isotopengeschmack!

33 Ein mögliches Modell der dynamischen Erde (Juteau & Maury 1999, nach Davies und Richards 1992)

34 Ein mögliches Modell der dynamischen Erde ( Best und Christiansen, 2000)

35 Filme von Modellen der Mantelkonvektion Universität Münster, Geodynamik / Prof. Hansen Oben: Universität Frankfurt, Institut für Geophysik / H. Schmeling Unten: Universität Münster, Geodynamik / U. Hansen

36 Offene Fragen Gibt es unterschiedliche Konvektionszellen im oberen und unteren Mantel, oder ist die Konvektion mantelübergreifend? Welche Plumes stammen aus der Kern-Mantel-Grenze, welche aus der 670-km-Grenze? Gibt es überhaupt Mantel-Plumes? Wie genau wird die Ozeankruste bei der Subduktion chemisch verändert?

37 Das war's... Pico de Fogo, Kapverden (A.K.)

38 Aufbau der Erde Besonderheiten: Lithosphäre: feste Platten, thermische Grenzschicht 660-km-Diskontinuität: Grenze oberer-unterer Mantel, Sprung von Dichte + Viskosität D"-Schicht: Kern-Mantel-Grenze, thermische Grenzschicht, starke Abnahme der Viskosität