Vulkane und Geochemie:Fenster in den Erdmantel

Andreas KlügelUniversität Bremen, Geowissenschaften, Fachgebiet "Petrologie der Ozeankruste"

www.ozeankruste-bremen.de

Ätna, 5.10.1998 (A.K.)

Vulkane: großartiges Naturschauspiel...

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

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!

Probennahme

Analysen

Gesetzmäßigkeiten

Zusammensetzung der MantelquelleGlobale Manteldynamik

Wo gibt es überhaupt Vulkane?

Kein Vulkanismus ohne Plattentektonik!• Hotspots unter Ozeanen und Kontinenten• Subduktionszonen (Ozean-Kontinent und Ozean-Ozean)• Mittelozeanische Rücken

Vulkane und Plattentektonik

plastischerMantel:

Astenosphäre

+spröder Mantel

Lithosphäre

Kruste

Die Astenosphäre ist plastisch, aber nicht flüssig!!

HotspotSubduktionszone Mittelozeanischer Rücken

Subduktionszone

Was ist der Antrieb der Plattentektonik?

(© Fowler, 2005, The Solid Earth)

Konvektionsströmungen im festen Mantel

Aufbau der Erde

(Frankfurter Allgemeine Zeitung, 1.9.2002)

(© John Winter, Igneous Petrology Online-Script)

D''-Schicht

Vereinfachtes Konvektionsmodell des Mantels

(© John Winter, Igneous Petrology Online-Script; after Basaltic Volcanism Study Project (1981), Lunar and PlanetaryInstitute)

um 1975

modern, aber umstritten

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.

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!

Tauchen subduzierte Platten in den unteren Mantel ab?

Tauchen subduzierte Platten in den unteren Mantel ab?

Zurück zum Vulkanismus: Basalt ist nicht BasaltMittelozeanische

RückenHotspot-

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

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

Mantelgestein

partielle Schmelze

Restit (verarmter Mantel)

partielle Schmelze des Restits

← inkompatibel(bevorzugt Schmelze)

→ kompatibel(bevorzugt Gestein)

Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)

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

Geochemie 1: Seltene-Erden-Elemente (SEE)

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

zunehmend inkompatibel (bevorzugt in Schmelze)

Seltene-ErdenElemente

MobileElemente

ImmobileElemente

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

Basalte der ozeanischen Becken: • negative Pb-Anomalien• positive Nb,Ta-Anomalien• MORB verarmt, OIB angereichert an inkompatiblen Elementen

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

Subduktionsbezogene Basalte: • positive Pb-Anomalien• negative Nb,Ta-Anomalien• angereichert an mobilen Elementen

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 meistenSubduktions-Basalte ist angereicherter und heterogener als MORB

• Die Basalte der ozeanischen Becken (MORB und OIB) zeigen positiveNb-Ta- und negative Pb-Anomalien.

• Subduktions-Basalte zeigen negative Nb-Ta- und positive Pb-Anomalien.

Konsequenzen für Modelle der globalen Manteldynamik!

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!

(aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998)

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?

(aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998)

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?

(aus Press & Siever, Understanding Earth, Freeman 1998)

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

Hofmann & White (1982): Recycling subduzierter Ozeankruste

(© John Winter, Igneous Petrology Online-Script)

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

Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope

• Prinzip: Isotopenverhältnisse ändern sich über geologisch langeZeiträume durch radioaktiven Zerfall.• Ausbildung verschiedener Reservoire durch Schmelzbildung.

(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)

Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope

(© John Winter, Igneous Petrology Online-Script)

Der "Mantel Array": Hotspot ist nicht gleich Hotspot

87Sr/86Sr

143 N

d/14

4 Nd

Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope

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

(© 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 238U/204Pb, alte hydrothermal veränderte Ozeankruste

Geochemie 3: mehr Einblicke durch radiogene Isotope

Andere Isotopensysteme zeigen ebenfalls verschiedene OIB-Arrays

(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)

Der Mantel-Zoo

Jeder Hotspot hat seinen eigenen Isotopengeschmack!

(© H.G. Stosch, Skriptum Isotopengeochemie)

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

Ein mögliches Modell der dynamischen Erde

(© Best und Christiansen, 2000)

Ein mögliches Modell der dynamischen Erde

Filme von Modellen der Mantelkonvektion

Universität Münster, Geodynamik / Prof. Hansen

Oben:

Universität Frankfurt, Institut für Geophysik / H. Schmeling

Unten:

Universität Münster, Geodynamik / U. Hansen

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 Subduktionchemisch verändert?

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

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