Mantel (Geologie)

Erde im Schnitt vom Kern zur Exosphäre.

Der Mantel ist eine besondere Art von Schicht innerhalb eines astronomischen Körpers. Ein Mantel kommt in den meisten Fällen in einem festen Objekt als die Materialschicht vor, die einen definierbaren, besonders dichten Kern umgibt. Der Mantel selbst kann in zwei Unterschichten unterteilt sein und von einer Schicht überlagert werden, die „Kruste“ genannt wird, wie es beim Planeten Erde der Fall ist. Im Erdinneren ist der Erdmantel eine Gesteinsschicht direkt unter der Kruste und über dem äußeren Kern. Der Erdmantel macht etwa 70 Prozent des Erdvolumens aus und liegt über dem eisenhaltigen Erdkern, der etwa 30 Prozent des Erdvolumens einnimmt. Obwohl er überwiegend fest ist, ist ein Großteil des Mantels aufgrund des extrem hohen Drucks in seinem Inneren sehr zähflüssig. Die Konvektion des Mantels drückt sich an der Oberfläche durch die Bewegungen der tektonischen Platten aus.

Vergangene Episoden von Schmelzen und Vulkanismus in den flacheren Schichten des Mantels haben eine sehr dünne Kruste aus kristallisierten Schmelzprodukten nahe der Oberfläche hervorgebracht, auf der wir leben. Die beim Schmelzen des Erdmantels entstandenen Gase haben einen großen Einfluss auf die Zusammensetzung und die Häufigkeit der Erdatmosphäre. Informationen über die Struktur und die Zusammensetzung des Erdmantels ergeben sich entweder aus geophysikalischen Untersuchungen oder aus direkten geowissenschaftlichen Analysen von aus dem Erdmantel stammenden Xenolithen.

Struktur

Die Dicke des Erdmantels beträgt etwa 2.900 Kilometer (km) (1.800 Meilen). Die Ergebnisse der Seismologie zeigen, dass er in Abschnitte unterteilt ist. Diese Schichten (und ihre Tiefen) sind wie folgt:

• der obere Erdmantel (33-410 km) (20 bis 254 Meilen)
• die Übergangszone (410-670 km)
• der untere Erdmantel (670-2798 km)
• die D-Schicht (2798-2998 km).

Der obere Teil des Erdmantels ist durch einen plötzlichen Anstieg der seismischen Geschwindigkeit gekennzeichnet, der erstmals von Andrija Mohorovičić im Jahr 1909 festgestellt wurde. Diese Grenze wird heute als „Moho“ bezeichnet. Der oberste Mantel und die darüber liegende Kruste sind relativ starr und bilden die Lithosphäre, eine unregelmäßige Schicht mit einer maximalen Dicke von vielleicht 200 km. Unterhalb der Lithosphäre wird der obere Erdmantel in seiner Rheologie deutlich plastischer. In einigen Regionen unterhalb der Lithosphäre ist die seismische Geschwindigkeit reduziert; diese so genannte „low velocity zone“ (LVZ) erstreckt sich bis in eine Tiefe von mehreren hundert Kilometern. Inge Lehmann entdeckte eine seismische Diskontinuität in etwa 220 Kilometern Tiefe; obwohl diese Diskontinuität in anderen Studien gefunden wurde, ist nicht bekannt, ob sie allgegenwärtig ist. Die Übergangszone ist ein sehr komplexer Bereich, der den oberen und unteren Erdmantel physisch voneinander trennt. Über den unteren Mantel ist nur sehr wenig bekannt, abgesehen davon, dass er seismisch relativ homogen zu sein scheint. D“ ist die Schicht, die den Mantel vom Kern trennt.

Charakteristika

Der Mantel unterscheidet sich in seinen mechanischen Eigenschaften und seiner chemischen Zusammensetzung wesentlich von der Kruste. Die Unterscheidung zwischen Kruste und Mantel basiert auf Chemie, Gesteinsarten, Rheologie und seismischen Eigenschaften. Die Kruste ist in der Tat ein Produkt der Mantelschmelze. Man geht davon aus, dass sich durch das partielle Schmelzen des Mantelmaterials unverträgliche Elemente aus dem Mantelgestein lösen, wobei das weniger dichte Material durch Porenräume, Risse oder Spalten nach oben fließt, um an der Oberfläche abzukühlen und zu gefrieren. Typische Mantelgesteine haben ein höheres Magnesium-Eisen-Verhältnis und einen geringeren Anteil an Silizium und Aluminium als die Kruste. Dieses Verhalten wird auch durch Experimente vorhergesagt, bei denen Gesteine, die als repräsentativ für den Erdmantel gelten, teilweise geschmolzen werden.

Mit Erdbebenwellen das Erdinnere abbilden.

Mantelgestein in einer Tiefe von weniger als 400 km besteht hauptsächlich aus Olivin, Pyroxenen, Spinell und Granat; als typische Gesteinsarten gelten Peridotit, Dunit (olivinreicher Peridotit) und Eklogit. Zwischen etwa 400 km und 650 km Tiefe ist Olivin nicht stabil und wird durch Hochdruckpolymorphe mit annähernd gleicher Zusammensetzung ersetzt: ein Polymorph ist Wadsleyit (auch Beta-Spinell-Typ genannt), das andere ist Ringwoodit (ein Mineral mit Gamma-Spinell-Struktur). Unterhalb von etwa 650 km beginnen alle Minerale des oberen Erdmantels, instabil zu werden. Die am häufigsten vorkommenden Minerale haben Strukturen (aber nicht Zusammensetzungen) wie die des Minerals Perowskit, gefolgt von dem Magnesium/Eisenoxid Ferroperiklas. Die Veränderungen in der Mineralogie bei etwa 400 und 650 km ergeben unverwechselbare Signaturen in seismischen Aufzeichnungen des Erdinneren und lassen sich, wie das Moho, leicht mit seismischen Wellen nachweisen. These changes in mineralogy may influence mantle convection, as they result in density changes and they may absorb or release latent heat as well as depress or elevate the depth of the polymorphic phase transitions for regions of different temperatures. The changes in mineralogy with depth have been investigated by laboratory experiments that duplicate high mantle pressures, such as those using the diamond anvil.

Why is the inner core solid, the outer core liquid, and the mantle solid/plastic? The answer depends both on the relative melting points of the different layers (nickel-iron core, silicate crust and mantle) and on the increase in temperature and pressure as one moves deeper into the Earth. At the surface both nickel-iron alloys and silicates are sufficiently cool to be solid. In the upper mantle, the silicates are generally solid (localized regions with small amounts of melt exist); however, as the upper mantle is both hot and under relatively little pressure, the rock in the upper mantle has a relatively low viscosity. Im Gegensatz dazu steht der untere Mantel unter enormem Druck und hat daher eine höhere Viskosität als der obere Mantel. Der metallische Nickel-Eisen-Außenkern ist trotz des enormen Drucks flüssig, da er einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als die Mantelsilikate. Der innere Kern ist aufgrund des überwältigenden Drucks im Zentrum des Planeten fest.

Temperatur

Im Mantel liegen die Temperaturen zwischen 500 °C bis 900 °C an der oberen Grenze zur Kruste und über 4000 °C an der Grenze zum Kern. Obwohl die höheren Temperaturen weit über den Schmelzpunkten der Mantelgesteine an der Oberfläche liegen (etwa 1200 °C für repräsentativen Peridotit), ist der Mantel fast ausschließlich fest. Der enorme lithostatische Druck, der auf den Mantel ausgeübt wird, verhindert ein Schmelzen, da die Temperatur, bei der das Schmelzen beginnt (der Solidus), mit dem Druck ansteigt.

Bewegung

Aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen der Erdoberfläche und dem äußeren Kern und der Fähigkeit der kristallinen Gesteine, sich bei hohem Druck und hoher Temperatur über Millionen von Jahren langsam, kriechend und zähflüssig zu verformen, findet im Mantel eine konvektive Materialzirkulation statt. Heißes Material steigt als plutonischer Diapir (ähnlich einer Lavalampe) auf, vielleicht von der Grenze zum äußeren Kern (siehe Mantelplume), während kühleres (und schwereres) Material nach unten sinkt. Dies geschieht oft in Form von großräumigen lithosphärischen Absenkungen an Plattengrenzen, den so genannten Subduktionszonen. Während des Aufstiegs kühlt das Material des Erdmantels sowohl adiabatisch als auch durch Wärmeleitung in den umgebenden kühleren Erdmantel ab. Durch die mit dem Aufstieg verbundene Druckentlastung sinkt die Temperatur des Materials, und seine Wärme verteilt sich auf ein größeres Volumen. Da die Temperatur, bei der das Schmelzen einsetzt, mit der Höhe schneller abnimmt als bei einem aufsteigenden heißen Plume, kann es zu einem teilweisen Aufschmelzen direkt unter der Lithosphäre kommen, was zu Vulkanismus und Plutonismus führt.

Die Konvektion des Erdmantels ist ein chaotischer Prozess (im Sinne der Fluiddynamik), der als integraler Bestandteil der Plattenbewegung angesehen wird. Die Plattenbewegung sollte nicht mit dem älteren Begriff Kontinentaldrift verwechselt werden, der sich lediglich auf die Bewegung der Krustenkomponenten der Kontinente bezieht. Die Bewegungen der Lithosphäre und des darunter liegenden Erdmantels sind gekoppelt, da die absteigende Lithosphäre ein wesentlicher Bestandteil der Konvektion im Erdmantel ist. Die beobachtete Kontinentaldrift ist eine komplizierte Beziehung zwischen den Kräften, die das Absinken der ozeanischen Lithosphäre bewirken, und den Bewegungen im Erdmantel.

Obwohl es eine Tendenz zu größerer Viskosität in größerer Tiefe gibt, ist diese Beziehung bei weitem nicht linear und zeigt Schichten mit dramatisch abnehmender Viskosität, insbesondere im oberen Mantel und an der Grenze zum Kern. Der Mantel innerhalb von etwa 200 km über der Kern-Mantel-Grenze scheint deutlich andere seismische Eigenschaften zu haben als der Mantel in etwas geringerer Tiefe; diese ungewöhnliche Mantelregion direkt über dem Kern wird als D″ („D double-prime“ oder „D prime prime“) bezeichnet, eine Nomenklatur, die vor über 50 Jahren von dem Geophysiker Keith Bullen eingeführt wurde. D″ könnte aus Material von subduzierten Platten bestehen, die sich abgesenkt haben und an der Kern-Mantel-Grenze zur Ruhe gekommen sind, und/oder aus einem neuen Mineralpolymorph, das in Perowskit entdeckt wurde und Post-Perowskit genannt wird.

Aufgrund der relativ geringen Viskosität im oberen Mantel könnte man annehmen, dass es unterhalb von etwa 300 km Tiefe keine Erdbeben geben sollte. In Subduktionszonen kann der geothermische Gradient jedoch gesenkt werden, wenn kühles Material von der Oberfläche nach unten sinkt, wodurch sich die Festigkeit des umgebenden Mantels erhöht und Erdbeben bis in eine Tiefe von 400 km und 670 km auftreten können.

Der Druck am Boden des Mantels beträgt ~136 GPa (1,4 Millionen atm). Der Druck nimmt zu, je tiefer man in den Mantel vordringt, da das Material darunter das Gewicht des gesamten Materials darüber tragen muss. Es wird jedoch angenommen, dass sich der gesamte Erdmantel auf langen Zeitskalen wie eine Flüssigkeit verformt, wobei die permanente plastische Verformung durch die Bewegung von punkt-, linien- und/oder flächenförmigen Defekten in den festen Kristallen des Erdmantels ausgeglichen wird. Die Schätzungen für die Viskosität des oberen Erdmantels liegen zwischen 1019 und 1024 Pa-s, je nach Tiefe, Temperatur, Zusammensetzung, Spannungszustand und zahlreichen anderen Faktoren. Daher kann der obere Erdmantel nur sehr langsam fließen. Wenn jedoch große Kräfte auf den obersten Mantel einwirken, kann er schwächer werden, und es wird angenommen, dass dieser Effekt für die Bildung tektonischer Plattengrenzen wichtig ist.

Erkundung

Die Erkundung des Erdmantels wird im Allgemeinen am Meeresboden und nicht an Land durchgeführt, da die ozeanische Kruste im Vergleich zur wesentlich dickeren kontinentalen Kruste relativ dünn ist.

Der erste Versuch zur Erkundung des Erdmantels, bekannt als Projekt Mohole, wurde 1966 nach wiederholten Fehlschlägen und Kostenüberschreitungen aufgegeben. Die tiefste Bohrung war etwa 180 m tief. 2005 erreichte die dritttiefste ozeanische Bohrung vom Bohrschiff JOIDES Resolution aus 1416 m unter dem Meeresboden.

Am 5. März 2007 brach ein Team von Wissenschaftlern an Bord der RRS James Cook zu einer Reise zu einem Gebiet des atlantischen Meeresbodens auf, in dem der Mantel ohne jegliche Kruste freiliegt, auf halbem Weg zwischen den Kapverdischen Inseln und dem Karibischen Meer. Die freiliegende Stelle liegt etwa drei Kilometer unter der Meeresoberfläche und erstreckt sich über Tausende von Quadratkilometern.

Ein relativ schwieriger Versuch, Proben aus dem Erdmantel zu gewinnen, war für später im Jahr 2007 geplant. Im Rahmen der Chikyu-Hakken-Mission sollte mit dem japanischen Schiff „Chikyu“ bis zu 7000 m tief in den Meeresboden gebohrt werden. Dies ist fast dreimal so tief wie frühere ozeanische Bohrungen.

Eine neuartige Methode zur Erkundung der obersten Hunderte von Kilometern der Erde wurde kürzlich analysiert. Sie besteht aus einer kleinen, dichten, wärmeerzeugenden Sonde, die sich ihren Weg durch die Kruste und den Mantel bahnt, während ihre Position und ihr Fortschritt durch akustische Signale verfolgt werden, die im Gestein erzeugt werden. Die Sonde besteht aus einer Wolframkugel mit einem Durchmesser von etwa 1 m, in deren Innerem sich eine radioaktive 60Co-Wärmequelle befindet. Es wurde berechnet, dass eine solche Sonde die ozeanische Moho in weniger als 6 Monaten erreicht und in wenigen Jahrzehnten unter der ozeanischen und kontinentalen Lithosphäre eine Mindesttiefe von weit über 100 km erreicht.

Siehe auch

• Kruste (Geologie)
• Erde
• Plattentektonik
• Vulkan

Notizen

• Burns, Roger George. 1993. Mineralogische Anwendungen der Kristallfeldtheorie. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0521430771.
• Coltorti, M., and M. Gregoire. 2008. Metasomatism in Oceanic & Continental Lithospheric Mantle. London, UK: Geological Society Pub House. ISBN 1862392420

• Condie, Kent C. 2001. Mantle Plumes and Their Record in Earth History. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0521014727

• Condie, Kent C. 2005. Earth As an Evolving Planetary System. Amsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0120883929
• Ojovan, M.I., und F.G.F. Gibb. „Exploring the Earth’s Crust and Mantle Using Self-Descending, Radiation-Heated, Probes and Acoustic Emission Monitoring“. Kapitel 7, in Arnold P. Lattefer, 2008. Nuclear Waste Research: Siting, Technology and Treatment. New York, NY: Nova Science Publishers. ISBN 9781604561845.
• Van der Pluijm, Ben A., und Stephen Marshak. 2004. Earth Structure: An Introduction to Structural Geology and Tectonics, 2. Aufl., New York: W.W. Norton. ISBN 039392467X

• Vogt, Gregory. 2007. Earth’s Core and Mantle: Heavy Metal, Moving Rock. Minneapolis, MN: Twenty-First Century Books. ISBN 978-0761328377

All links retrieved August 10, 2018.

• Don L. Anderson, Theory of the Earth, Blackwell (1989). (A textbook dealing with the Earth’s interior now available on the web.)
• Project Mohole.