144 143 Nd Nd/

(1)

Vulkane und Geochemie:

Fenster in den Erdmantel

Andreas Klügel

Universität Bremen, Geowissenschaften, Fachgebiet "Petrologie der Ozeankruste"

www.ozeankruste-bremen.de

Ätna, 5.10.1998 (A.K.)

(2)

Vulkane: großartiges Naturschauspiel...

Pu'u O'o, Hawaii, 1983 (© J.D. Griggs, USGS)

(3)

Lava (Basalte u.a.)

Xenolithe aus der Kruste

...und Probenlieferant aus der Tiefe

Xenolithe aus dem Mantel

Vulkan-Magma-System

Basalt-Geochemie Hinweise auf geologische Prozesse in den größten Tiefen...

fast bis in den Erdkern!

(4)

Probennahme

Analysen

Gesetzmäßigkeiten

Zusammensetzung der Mantelquelle Globale Manteldynamik

(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

plastischer Mantel:

Astenosphäre

+ spröder

Mantel Lithosphäre

Kruste

Die Astenosphäre ist plastisch, aber nicht flüssig!!

Hotspot

Subduktionszone Mittelozeanischer Rücken

Subduktionszone

(7)

Was ist der Antrieb der Plattentektonik?

Konvektionsströmungen im festen Mantel

(8)

Aufbau der Erde

(Frankfurter Allgemeine Zeitung, 1.9.2002)

D''-Schicht

(9)

Vereinfachtes Konvektionsmodell des Mantels

um 1975

modern, aber

umstritten

(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

Yasur, Vanuatu (© R. Carniel, Stromboli-Online) Kissenlava unter dem Meer (© R. Pyle)

Die Basalte dieser Vulkane sind fundamental verschieden!

Subduktions- Vulkanismus

Hawaii (© C. Heliker, USGS)

"tholeiitische" Basalte, das häufigste Vulkangestein:

MORB

(mid-ocean ridge basalt)

überwiegend

"alkalische" und

"tholeiitische" Basalte:

OIB

(ocean island basalt)

recht unterschiedliche Basalte und hoch- differenzierte Laven:

Subduktions-/

Inselbogen-Basalte

(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)

Mantelgestein partielle Schmelze

Restit (verarmter Mantel) partielle Schmelze

des Restits

← inkompatibel

(bevorzugt Schmelze)

→ kompatibel (bevorzugt Gestein)

Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)

(17)

Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)

(18)

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

Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)

(19)

Geochemie 2: Mehr Spurenelemente ("Spider-Diagramm")

zunehmend inkompatibel (bevorzugt in Schmelze) Seltene-Erden

Elemente Mobile

Elemente

Immobile Elemente

(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

• 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

• 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

• 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

Modell zu vereinfacht, da keine einheitliche OIB-Quelle: Isotope!

(28)

Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope

• Prinzip: Isotopenverhältnisse ändern sich über geologisch lange Zeiträume durch radioaktiven Zerfall.

• Ausbildung verschiedener Reservoire durch Schmelzbildung.

(29)

Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope

Der "Mantel Array": Hotspot ist nicht gleich Hotspot

87

Sr/

⁸⁶

Sr

143

Nd/

144

Nd

(30)

Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope

OIB-Mantelquellen bestehen aus verschiedenen Komponenten (Reservoire), die sich über 1-2 Ga hinweg entwickelt haben.

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 ²³⁸U/²⁰⁴Pb, alte hydrothermal veränderte Ozeankruste

(31)

Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope

Andere Isotopensysteme zeigen ebenfalls verschiedene OIB-Arrays

(32)

Der Mantel-Zoo

Jeder Hotspot hat seinen eigenen Isotopengeschmack!

(33)

(Juteau & Maury 1999, nach Davies und Richards 1992)

Ein mögliches Modell der dynamischen Erde

(34)

Ein mögliches Modell der dynamischen Erde

(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

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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