Geochemische Reservoirs. UE Planetologie des inneren Sonnensystems WS 2010/11

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1 Geochemische Reservoirs UE Planetologie des inneren Sonnensystems WS 2010/11

2 Mehrheitlich homogen: z.b. Atmosphäre inhomogen: kont. Kruste Hauptsächliche Interaktion: Plattentektonik (koppelt Mantel, Kruste und Atmosphäre)

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6 Ozeanische Rücken: Entstehung von ozeanischer Kruste (OK) Subduktionszonen: Zerstörung von OK Hot-Spots: Entstehung von OK und KK (kont. Kruste) Delamination, bzw. Subduktion von Sedimenten: Zerstörung von KK KK: mehr K, U, Th und ein höherer Anteil der leichteren seltenen Erden Elemente Für isotopische Masseberechnungen kann OK vernachlässigt werden, da die verschiedenen Isotope in erster Linie in KK angereichert sind. Basalte: basisches Ergussgestein (SiO 2 arm), bestehend aus Eisen und Mg-Silikaten, Olivin, Pyroxene und Feldspat.

7 Die Seltenen Erden Zu den Metallen der Seltenen Erden gehören die chemischen Elemente der 3. Gruppe des Periodensystems (mit Ausnahme des Actiniums) und die Lanthanoide. Dies sind die Elemente Scandium (Ordnungszahl 21), Yttrium (39) und Lanthan (57) sowie die 14 auf das Lanthan folgenden Elemente, die Lanthanoide: Cer (58), Praseodym (59), Neodym (60), Promethium (61), Samarium (62), Europium (63), Gadolinium (64), Terbium (65), Dysprosium (66), Holmium (67), Erbium (68), Thulium (69), Ytterbium (70) und Lutetium (71). Seltene Erden werden in vielen Schlüsseltechnologien eingesetzt. Das Metall Europium wird in Röhrenbildschirmen benötigt für die Rotkomponente im RGB- Farbraum. Seltene Erden bewirken, dass magnetisiertes Eisen die magnetische Wirkung nicht verliert. Diese Neodym-Magnete werden in Elektromotoren verwendet und in Windkraftanlagen oder in Hybrid-Motoren von Autos eingebaut. Das Element Lanthan wiederum wird für Legierungen in Batterien benötigt. 13 % der Seltenen Erdmetalle kommen für Polituren zum Einsatz. Etwa 12 % werden für Spezialgläser benutzt und 8 % für die Leuchtmittel der Plasma- und LCD-Bildschirme, für Energiesparlampen und Radargeräte.

8 Isotopenuntersuchungen von Basalten erlauben Aussagen über ihr Ursprungsreservoir: MORB (mid-ocean ridge basalts), aber auch OIB (oceanic islands basalts), bei Hot-Spots innerhalb einer Platte Aber auch: CMB (continental margin basalts), bei Subduktionszonen zw. Kont. und ozean. Platten IAB (island arc basalts), bei Sub.zonen zw. 2 ozean. Platten Im Wesentlichen haben sowohl MORB als auch OIB die gleiche Elementzusammensetzung und entstehen beide durch partiale Schmelzen von Mantelgesteinen. Sie weisen aber unterschiedliche Isotopenverhältnisse und Anteile von seltenen Erden auf.

9 N-MORB: (normal): -) mehrheitlich homogen und nur wenig inkompatible Elemente (K, Rb, La, Nb, Zr, etc.) -) 86 Sr/ 87 Sr Isotopenverhältnis ebenfalls gering -) stammen aus Tiefen > 2 km (meistens jedoch der Asthenosphäre) -) stellen einen Beweis dafür da, dass der obere Mantel mehrheitlich homogen ist. E-MORB: (enriched): -) stammen aus eher oberflächennahen Bereichen -) weisen eine Vielzahl von verschiedenen Isotopen auf -) Hinweis auf inhomogenes Ursprungsreservoir

10 Das Edelgas- System ausgewähle Beispiele UE Planetologie des inneren Sonnensystems WS 2010/11

11 Betrachten: Produktion der Edelgase He und Ar 238 U 206 Pb He 235 U 207 Pb He 232 Th 207 Pb He 40 K 40 Ar Sowohl Ar als auch He, aber insbesondere He, besitzen eine hohe Diffusionsrate im Mantel und entweichen daher sehr rasch. Die hohe Mobilität führt auch gleichzeitig zu einer hohen Ausgasungsrate des Mantels Konzentrations- und Flussmessungen erlauben Aussagen über den radioaktiven Zerfall und die Transportprozesse im Inneren eines Planeten. Die massivste Epoche der Ausgasung des Mantels hat jedoch bereits während der Akkretionsphase stattgefunden. Messungen von 3 He und 36 Ar (beide nicht radiogen und stabil) stehen mit dem ursprünglichen (unterem) Mantel im Zusammenhang und stellen gleichzeitig durch deren Nachweis einen Hinweis auf einen solchen noch relativ ursprünglichen Mantel dar.

12 Wo kommt das 36 Ar her? Nukleosynthese: Während des O-Brennens kollidieren 2 16 O Isotope 2 16 O 32 S Durch Einfangen von einem Alpha-Teilchen entsteht dann 36 Ar. 36 Ar ist auch ein Bestandteil von Meteoriten (Chondriten). Im Laufe des Akkretionsprozesses wird das 36 Ar in den Planeten eingebaut und in weiterer Folge in die Uratmosphäre entgast. Sekundäre Prozesse: cosmic rays 36 Cl 36 Ar Anmerkung: D + H 3 He initiales D der Sonne ist heute 3 He

13 Erde: Annahme: kein ursprüngliches Ar 40 Ar in der Atmosphäre ist das Resultat eines radioaktiven Zerfalls von 40 K im Inneren und wird via Vulkanismus, hydrothermaler Zirkulation durch die Kruste, etc. transportiert. Erde heute: 40 Ar/ 36 Ar = Gesamtmasse 40 Ar in Atm.: 6.6 * kg Volums-% in der Atm. häufigstes Edelgas Aufgrund der hohen Atommasse von Ar können atm. escape Prozesse vernachlässigt werden. Basishypothese der chemischen Geodynamik: Die angereicherte kontinentale Kruste ist vom abgereicherten Mantel separiert. 2 weitere Möglichkeiten: -) Mantel ist durchgehend abgereichert -) (unterer) Mantel ist ursprünglich und nicht abgereichert. Ein solcher unterer Mantel würde wesentlich höhere Elementkonzentrationen aufweisen. Die Summe der Elementkonzentrationen aus der angereicherter kont. Kruste und dem Mantel ist im Wesentlichen konstant. entweder kont. Kruste und abgereicherter Mantel oder eher ein allgemein homogener Mantel.

14 Annahme: Großteil des 40 Ar in der Atm. stammt vom radioakt. Zerfall von 40 K aus der kont. Kruste und dem oberen Mantel. Abschätzung: Masse von 40 Ar (M 40 ), welche über das Alter der Erde produziert wurde Ar (t e = 4.55 Ga) in einem Reservoir der Masse M hängt mit der mittleren Konzentration von K im Reservoir C K zusammen: M C M t e K 40 Ar K Ar Ar Gyr Gyr Gyr kgkg Ar K ( e 40K t e 1) MC Anteil 40K Isotop bei K kg(siehe oben, Erde) K (Konzentration K,Referenzwert Erde)

15 M = 1.38 * kg Entspricht 34 % der Gesamtmasse des terr. Mantels D.h. die Masse von 40 Ar in der Atm. ist 34 % der Masse des 40 Ar, welches durch radioaktiven Zerfall in der Kruste und im Mantel seit 4.55 Gyr produziert wurde. D.h. es muss noch ein ursprüngliches Reservoir im Mantel geben, von dem das Ar bis heute nicht entgast wurde, mit einer Masse von 66 % des Gesamtmantels ( den unteren Mantel). Betrachtungen anderer Isotope und diesbezügliche Masserechnungen liefern vergleichbare Werte.

16 Kann man so eine Rechnung auch mit 4 He anstellen? Problem: 4 He ist ein sehr leichtes Element und geht rasch aus der Atm. verloren mittlere Verweildauer von He in der Atm.: etwa a Aktueller Wert der terr. Atm.: 4 He/ 3 He: 7.2 * 10 5 Der Großteil von 4 He in der Atm. ist die direkte Konsequenz von radioakt. Zerfall. Sowohl ursprüngliches als auch neu prod. He migrieren sehr rasch in den Ozean und in die Atmosphäre. Ein geringer Anteil von 3 He wird auch im Inneren der Erde erzeugt. 3 He wird ebenfalls in der Atm. durch die Einwirkung von kosm. Strahlung generiert. 4 He/ 3 He Verhältnis von Gasen, welche in MORB eingeschlossen sind, ist um den Faktor 8 geringer als der atm. Vergleichswert. 4 He/ 3 He Verhältnis des Mantels ist geringer als das der Atm. (wegen starker Migration von He aus der kont. Kruste in die Atm.). Hawaii Basalte (aber auch Island) zeigen einen hohen 3 He Anteil: Hinweis auf ein ursprüngliches Reservoir als Quelle unterer Mantel??? damit auch gleichzeitig ein Hinweis auf den Ursprungsort des Plumes???