MORB (Mid Ocean Ridge Basalt).

Transkript

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3 MORB (Mid Ocean Ridge Basalt).

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6 Geodynamik und Plattentektonik, 1995

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8 Nach Experimenten bildet sich MORB durch 15-30% partielles Schmelzen des oberen Mantels. Hiedurch entsteht olivintholeiitisches Magma, welches sich in Magmenkammern sammelt. Hier kommt es zur fraktionierten Kristallisation und es entsteht Tholeiit, Quarz-Tholeiit. Der Restit aus Olivin u. Pyroxen bildet Harzburgit.

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10 O Harzburgit (Olivin + Opx), v.a. in Ophiolithen, scheint im obersten ozeanischen Mantel sehr weit verbreitet zu sein. Er ist Restit, der bei der Extrahierung des obersten Mantels entsteht, wenn MORB (= Mid Ocean Ridge Basalt) generiert wird.

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12 NMORB ist gekennzeichnet durch: Abreicherung von LIL (large ion lithophile) Elementen (K, Rb, Ba, Th, U etc.) geringe 87 Sr/ 86 Sr und 206 Pb/ 204 Pb-Verhältnisse hohe 143 Nd/ 144 Nd-Verhältnisse Wir sprechen deshalb im Englischen von einer depleted mantle source

13 Tieftauchboot Alvin, seit 1964 im Einsatz ca. 8 m lang, taucht bis in Tiefen von 4000 m

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15 Das Tieftauchschiff Alvin wurde bei Annäherung an die überhitzten Wasseraustritte über dem Ostpazifischen Rücken in 2650 m Tiefe fast zerstört, da es für solch hohe Temperaturen nicht ausgelegt war. Niemand rechnete hier mit Temperaturen > 300 C. Normalerweise beträgt die Temperatur am Meeresboden nur wenige Grad über 0.

16 Tieftauchschiff Johnson Sea Link

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18 Black Smoker, 9 50' N im Bereich des Ostpazifischen Rückens, besteht aus Sulfiden mit zahlreichen aktiven Schloten ( Woods Hole Oceanographic Institution, Deep Submergence Operations Group, Dan Fornari)

19 Black Smoker Entlang der Ozeanischen Rücken finden wir hydrothermale Schlote, aus denen bis zu 380 heißes Wasser austritt. Da dieses Wasser sehr viel Sulfide enthält und somit schwarz gefärbt ist, sprechen wir von Black Smoker. Im Bereich der Galapagos Rift-Zone wurden die ersten Black Smoker Ende der 1970er Jahre entdeckt. Black Smoker ragen bis zu 10 m über den Ozeanboden. Man findet sie bis in Tiefen von 3600 m

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21 Sulfid-Strukturen mit zahlreichen rauchenden Schloten im Bereich des Juan de Fuca Rückens bei 44 58' N & ' W. (Dr. Michael Perfit, University of Florida, and NOAA VENTS program)

22 Hydrothermale Schlote entstehen im Bereich von Ozeanischen Rücken. Meerwasser sickert entlang von Rissen in den Meeresboden und wird durch die heissen Gesteine des Untergrundes bis auf T = 400 C aufgeheizt. Das aufgeheizte Wasser ist leichter, steigt nach oben und tritt durch die hydrothermalen Schlote wieder aus. Dieses hydrothermale Fluid enthält reichlich gelöste Metalle und andere Element, die im tiefen Untergrund aus der ozeanischen Kruste gelöst wurden.

23 1. Kaltes Meerwasser (2 C) sinkt entlang von Rissen in den Meeresboden 2. Das Wasser heizt sich im tiefen Untergrund bis auf T = C auf. Im Zuge der Aufheizung reagiert das Meerwasser mit der ozeanischen Kruste. Hierbei kommt es zu folgenden Prozessen: Wasser wird saurer und reduzierend, Metalle gehen in Lösung (u.a. Fe, Cu, Zn). H 2 S wird gelöst

24 3. Heisse Fluide sind leichter und deshalb geneigt, nach oben zu steigen. Das aufsteigende Fluid nimmt die gelösten Metalle und H 2 S mit nach oben. 4. Wenn das hydrothermale Fluid aus dem Schlot austritt, kommt es in Kontakt mit kaltem Meerwasser. Die gelösten Metalle und H 2 S reagieren und es entstehen schwarze Metallsulfide. Sie verleihen dem Fluid den rauchigen Charakter. Die Reaktionen werden vor allem gefördert durch die niedrige Temperatur des Meerwassers und durch die Anwesenheit von Sauerstoff im Meerwasser. In Weißen Rauchern vermischen sich die hydrothermalen Fluide mit Meerwasser unterhalb der Meeresoberfläche. Aus diesem Grunde entstehen hier die dunklen Metallsulfide unterhalb des Meeresbodens bevor das Fluid den Schlot verlässt. Andere Verbindungen, einschließlich SiO 2, bleiben im Fluid. Sobald das Fluid den Schlot verlässt, wird SiO 2 ausgefällt. Zudem bildet sich weißer Anhydrit. Beide Minerale führen dazu, dass das Fluid, das den Weißen Raucher verlässt, weiß gefärbt ist.

25 Wachstumsstadium 1 Heißes, Ca-reiches Fluid mischt sich mit kaltem, sulfat- und Ca-reichem Meerwasser. Es scheidet sich ein Ring von Anhydrit (CaS0 4 ) ab. Metallsulfide bilden sich und verleihen dem austretenden Fluid die dunkle Farbe. Wachstumsstadium 2 Auf dem zuvor gebildeten Ring aus Anhydrit scheidet sich Chalkopyrit ab und kleidet so die gesamte innere Wandung des Schlotes aus. Zudem scheiden sich Zink-, Kupfer- und Eisensulfide ab. Hierdurch wird der Schlot immer reicher an Metallen.

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27 Pyrit (Fe S 2 ) Kupferkies (Cu Fe S 2 ) Zinkblende (ZnS) Querschnitt durch kleine Varietät eines Schwarzen Rauchers der Ostpazifischen Schwelle Ozeane und Kontinente, 1985

28 Ozeane und Kontinente, 1985

29 h a) Meerwasser mit gelösten Elementen a g g b) Erste Raktionen beim Einsickern in den Meeresboden c) Reaktion zwischen Meerwasser und heißem Basalt d) Minerale wie Quarz, Magnetit und Pyrit scheiden sich ab b c f e i e) Aufgeheiztes Fluid ist leicht und steigt wieder nach oben f) Durch die Abkühlung scheiden sich Metallsulfide ab. g) Das heiße Fluid mischt sich mit kaltem Meerwasser. Es scheiden sich weitere Metallsulfide und Anhydrit ab. h) Aus dem Schlot tritt das Metallsulfiden beladene Fluid aus d i) Mit der Zeit oxidieren die mit dem Fluid ausgetretenen Metallsulfide und rieseln auf den Meeresboden nieder, wo sie metallhaltige Sedimentschichten bilden. Ozeane und Kontinente, 1985

30 Movie Black smoker Vent.mov

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33 He-Isotope zeigen, dass Meerwasser tief in die basaltische Kruste eindringt. Helium kommt nur als 3 He und 4 He vor. 4 He wird im Erdinnern durch rdioaktiven Zerfall der langlebigen Isotope U und Th neu gebildet. Bei Messungen über dem Ostpazifischen Rücken hat sich ergeben, dass an der Meerwasseroberfläche das 3 He/ 4 He- Verhältnis dem der Atmosphäre entspricht. In größeren Wassertiefen steigt das 3 He/ 4 He-Verhältnis bis auf das 8- fache an, was für eine 3 He-Quelle im Mantel spricht. Hieraus lässt sich ableiten, dass der Wärmetransport aus dem Mantel entlang der Ozeanischen Rücken ca. 2 * Joule beträgt.

35 Organismen können hier leben, da Schwefelbakterien Energie durch die Oxydation von H 2 S gewinnen. Bakterien nehmen auch O aus dem Meerwasser auf (Sulfid + O Sulfat). Die dabei frei werdende Energie erhält den Stoffwechsel der Schwefelbakterien aufrecht. (CO 2 + H 2 O körpereigene Stoffe). Die Schwefelbakterien stehen am Anfang der Nahrungskette, da Photosynthese in der Dunkelheit nicht möglich. Die Bakterien können sehr hohe T vertragen. Kocht das Wasser bei T = 350 C?

36 Siedepunkt von Meerwasser in Abhängigkeit von der Wassertiefe 100 C

37 Siedepunkt von Meerwasser in Abhängigkeit von der Wassertiefe 100 C 310 C

38 Siedepunkt von Meerwasser in Abhängigkeit von der Wassertiefe 100 C 310 C 370 C

39 Siedepunkt von Meerwasser in Abhängigkeit von der Wassertiefe 100 C 310 C 370 C 410 C 445 C 480 C

40 Black Smoker haben einen erheblichen Einfluß auf das chemische Gleichgewicht der Ozeane. Etwa alle 10 Mio. J. wird das gesamte Wasser der Ozeane durch die Schwarzen Raucher gepumpt. Dabei werden zahlreiche Elemente aus der ozeanischen Kruste ausgewaschen und dem Meerwasser zugeführt. Die Wassermenge, die in 1 Jahr durch den Ozeanboden transportiert wird, entspricht etwa der Menge, die der Amazonas in 1 Jahr ins Meer befördert Wie gelangt das Ozeanwasser nach unten in den Basalt?? Basalt besteht meist aus Pillow-Laven

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42 Pillow lava rocks on the slope off Hawaii

43 The bluff is loaded with incredible pillow lava. What s pillow lava? Take Geology 10 or 20 for details, but the simple answer is that they re volcanic lava flows that erupted under water. These are part of the Franciscan assemblage and date from the Jurassic or Cretaceous period about 200 million years ago! We find them all over the central coast. Pillow Lava, Marianen-Arc

44 Taucher untersucht elongierte Pillow Lava (Kilauea, Hawai).

45 Movie Pillow Lava

46 Rotes Meer Ozean in status nascenti

47 1700 Meerestiefe [m] Atlantis II-Tiefe im Roten Meer, W' Mekka axiales Becken normales Meerwasser MnO2, Fe(OH) 3 CaSO 4 Fe''Fe'''Si 8 O 20 (OH) 4 * n H 2 O spezif. schwere, heiße Sole Cu-Fe-Pb-Zn-Sulfide Cu-Fe-Pb-Zn-Sulfide salzhaltiges Gestein 7 km In der Atlantis II-Senke befindet sich die größte von einem Spreizungszentrum bekannte Erzlagerstätte: ein geschichteter, polymetallischer Sulfidkörper, der mit einem Querschnitt von 7 km in 2000 m Tiefe genau W von Mekka entlang der Rückenachse liegt. Erzgehalt: 29 % Fe, 2-5 % Zn, 0,3-0,9 % Cu, 60 ppm Ag, 0,5 ppm Au

48 Eine ähnliche Erzlagerstätte wie die des Roten Meeres, jedoch viel älter, finden wir im Troodos-Ophiolith auf Zypern. Das Wort Kupfer leitet sich vom griechischen Namen der Insel Kypros ab. Cu-Quelle in dem zyprischen Ophiolith hat große Bedeutung schon seit prähistorischer Zeit. Der Troodos-Ophiolith repräsentiert kretazische ozeanische Kruste, die im Zuge der Subduktion von der abtauchenden Platte abgeschabt wurde und an die Deckelplatte angeheftet bzw. akkretioniert wurde. Wir nennen diesen Prozess Obduktion. Lediglich < 1 ozeanische Kruste werden obduziert. Der Troodos-Ophiolith wurde im Zuge der Obduktion kaum deformiert. Er enthält ca. 90 stratiforme, massive Cu-Fe-Sulfide, die in Pillow-Basalt eingeschaltet sind. Es handelt sich um hydrothermale Bildungen im Bereich von Black Smoker.

49 Der kretazische Troodos-Ophiolith gehört zu einem Ophiolithgürtel, der sich erstreckt auf: - die SE Türkei, - den S Iran - Oman

50 10 km Golf von Oman Samail-Ophiolith, Oman Pillow-Basalte + Basalt-Dikes + Gabbro + Peridotit Landsat Infrarotaufnahme

52 Sheeted dikes aus dem 3,8 Ga alten Isua-Komplex (Grönland). Es handelt sich um den ältesten Ophiolith (Furnes et al., 2007).

53 Sheeted-Dike-Komplex Gang Gang Gang Gang chilled margin (abgeschreckter Rand)

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55 Ophiolithe bieten ausgezeichnete Studienobjekte, um obduzierte Ozeanische Kruste an Land zu studieren Ophiolith [altgr., Ophis = Schlange] besteht v.a. aus basischen u. ultrabasischen Anteilen ozean. Kruste. In Ophiolithen findet man häufig Serpentinit [lat., Serpens = Schlange] Serpentin = Mg 6 (OH) 8 [Si 4 O 10 ] (Chrysotil, Antigorit, Lizardit) Serpentin galt im Mittelalter als Mittel gegen Schlangenbiss Weiterhin findet man den mit Serpentin verwandten Talk = Mg 3 (OH) 2 [Si 4 O 10 ]

56 Serpentin und Talk enstehen durch Hydratisierung von Mg-reichem Olivin (Mg,Fe) 2 [Si O 4 ], einem wesentlichen Bestandteil von Matelperidotit [frz. Olivin = Peridot] In den Serpentiniten liegen somit alterierte und hydratisierte (metamorphe) Mantelspäne vor. Wenn diese Mantelspäne nicht hydratisiert sind, erkennt man, dass es sich meist um Harzburgit (Olivin + Orthopyroxen) handelt

57 Schnitt durch die Ozeanische Kruste zeigt Bestandteile eines Ophiolithkomplexes

58 Anatomie eines Ozeanischen Rückens Tiefseesediment (Kieselschiefer, rote Tonsteine) Pillow-Basalt Sheeted Dikes Gabbro Ultrabasite, geschichtet Mantel Abschiebung Magmenkammer

59 Charakteristische lagige Gesteine (Gabbro, Ultrabasit und Trondhjemit (hell)) aus Magmenkammer unter Ozeanischem Rücken

60 Gustav Steinmann berichtete 1906, dass in den Peridotitmassiven der alpinotypen Faltengebirge rund um das Mittelmeer folgende Assoziation von Gesteinen auftritt: 1. Radiolarit (Tiefwassersediment) 2. basalt. Kissenlava 3. serpentinisierter Peridotit zusammengenommen stellt dies die Steinmann-Trinität dar.

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