Innerlijke structuur van de aarde

Van Wikipedia, de gratis encyclopedie
Spring naar navigatie Spring naar zoeken
Structuur van de aarde: belangrijkste schelpen en hun gemiddelde diepte (chemisch en reologisch model gemengd)

De binnenste structuur van de aarde , die voornamelijk door geofysica wordt onderzocht, bestaat idealiter uit concentrische bolvormige schillen , waarvan het materiaal elk een significant verschillende dichtheid heeft . De bolvormige schil met de laagste dichtheid is het verst naar buiten en staat bekend als de aardkorst . De bolvormige schil met de grootste dichtheid, eigenlijk een volle bol, ligt in het centrum van het aardlichaam en wordt de aardkern genoemd . De grensvlakken van deze schelpen zijn iets afgeplat in het zwaartekrachtsveld .

De dichtheidsgelaagdheid in het aardlichaam gaat gepaard met een chemische differentiatie, dat wil zeggen dat elke bolschil een karakteristieke chemische samenstelling heeft. De kern heeft een straal van ongeveer 3450 km en bestaat voornamelijk uit ijzer en nikkel . Daarna volgt de 2900 km dikke aardmantel van silicaten en oxiden met een algeheel hoog gehalte aan ijzer en magnesium . De buitenste schil van het aardlichaam wordt gevormd door de relatief dunne (ongeveer 5-70 km) korst. Deze bestaat ook voornamelijk uit silicaten en oxiden, maar met een lager ijzer- en magnesiumgehalte en een verhoogde hoeveelheid aluminium en elementen die "onoplosbaar" zijn in het mantelgesteente (zogenaamde incompatibele elementen ). Met zijn structuur van silicaatkorst en silicaatmantel en een ijzeren kern, is de aarde het prototype van de vier aardse planeten van het binnenste zonnestelsel .

Naast de indeling van de bolschalen naar chemische aspecten, wordt een ander model gebruikt dat is gebaseerd op de reologische eigenschappen van het materiaal in het aardlichaam. Deze verdeelt de aardkern in een kristallijne binnenkern (straal: 1230 km) en een dunne buitenkern (dikte: 2200 km). Bovendien maakt het geen onderscheid tussen korst en mantel, maar combineert het eerder de korst met het stijve buitenste deel van de mantel om de lithosfeer te vormen, die wordt gevolgd door een stroperige mantel aan de onderkant.

Structuur van de aarde

Radiale dichtheidsverdeling van de aarde volgens de PREM . De grootste verandering in dichtheid vindt plaats bij de kern-mantelgrens (CMB)
Het zwaartekrachtveld van de aarde volgens de PREM en voor ruwe benaderingen (groen). De versnelling als gevolg van de zwaartekracht heeft zijn maximale waarde bij de kern-mantelgrens met zijn grote dichtheidssprong. De lineaire benadering van de dichtheid reproduceert een maximum binnen, terwijl bij constante dichtheid het veld lineair zou toenemen tot aan het oppervlak.

Aangezien de gebieden onder een diepte van een paar duizend meter niet rechtstreeks door mensen kunnen worden bereikt door te boren , is de kennis van de structuur van het binnenste van de aarde grotendeels gebaseerd op seismiek , d.w.z. het registreren en evalueren van mechanische golven die door het lichaam van de aarde bewegen. , getriggerd z. B. door aardbevingen of kernwapenproeven. Het resulterende seismische profiel van het aardlichaam wordt gekenmerkt door twee opvallende discontinuïteitsgebieden . Deze worden beschouwd als de raakvlakken tussen de aardkorst en de aardmantel of de aardmantel en de aardkern.

Naast de seismische verkenning van de schelpstructuur speelt ook de elasticiteit van het gehele aardlichaam een ​​rol. Het kan worden geschat aan de hand van de meting van de getijden van de aarde ( getijderespons ) en beschreven door de getallen van Love . Door deze elasticiteit stijgt de gehele aardkorst twee keer per dag met circa ± 30 tot 50 cm. De astronomisch vast te stellen poolbeweging verandert ook van 1 jaar in ongeveer 430 dagen, de Chandler-periode .

Aarde kern

Op de grens tussen de kern en de bekleding verandert de dichtheid door het materiaal van 10 naar 5 g/cm3. De differentiatie in kern- en mantelmateriaal vond plaats binnen de eerste paar miljoen jaar na de vorming van het stof in de oer-zonnenevel door smelten toen protoplaneten botsten. Enkele tientallen miljoenen jaren later ontstond er opnieuw een diepe magma-oceaan tijdens de botsing tussen Proto-Aarde en Theia , waarvan de metalen kernen zich verenigden, zie Formation of the Earth . Op dat moment was de kern nog volledig vloeibaar. Een paar 100 miljoen jaar later - het is onduidelijk of voor of na het begin van diepe mantelconvectie - begonnen ijzer en nikkel in het centrum te kristalliseren.

  • Binnenkern van de aarde: De vaste binnenkern van de aarde strekt zich uit van het middelpunt van de aarde tot 5100 km onder het aardoppervlak. De druk is hier tot 3,64 miljoen bar en de temperatuur wordt verondersteld rond de 6000 K te zijn.
  • Buitenkern van de aarde: De buitenkern ligt op een diepte tussen ongeveer 2900 km en 5100 km. Bij een temperatuur tussen 3000°C en ongeveer 5000°C is dit deel van de kern vloeibaar. [1] Het bestaat uit een nikkel-ijzersmelt ("NiFe"), die ook kleine hoeveelheden zwavel of zuurstof kan bevatten (zie → ijzer (I) oxide ). In interactie met de rotatie van de aarde is de bewegende ijzersmelt verantwoordelijk voor het magnetische veld van de aarde vanwege zijn elektrische geleidbaarheid .
  • Volgens het PREM-model maakt de aardkern met zijn 1,94 · 10 24 kg ongeveer 32,5% van de massa van de aarde uit , maar slechts 16,2% van het volume. Dit betekent dat de gemiddelde dichtheid meer dan 10 g / cm 3 is (vergeleken met 5,52 g / cm 3 voor de hele aarde).

Mantel

  • D "laag : Boven de kern-mantelgrens bevindt zich de zogenaamde D"-laag, die wordt gezien als een soort overgangszone tussen de aardkern en de aardmantel. Het heeft een sterk variërende dikte van 200 tot 300 kilometer en heeft een sterke temperatuurgradiënt . Van daaruit stijgen mantelpluimen op.
  • Onderste mantel: De onderste mantel bestaat uit zware silicaten (vooral magnesium perovskiet ) en een mengsel van metaaloxiden zoals periclase (magnesiumoxide) en wustiet (ijzer (II) oxide), die gezamenlijk bekend staan als magnesiowustite . In de onderste mantel, van 660 tot 2900 km diepte, heerst een temperatuur van ongeveer 2000°C.
  • Overgangszone: Het gebied tussen 410 km en 660 km diepte wordt beschouwd als de overgang van de boven- naar de ondermantel, maar wordt soms gerekend tot de bovenmantel. De grenzen zijn gebaseerd op de diepten van de minerale faseovergangen van olivijn , het hoofdbestanddeel van de bovenmantel. Aangezien de veranderde minerale structuur gepaard gaat met een verandering in dichtheid en seismische snelheid , kunnen deze discontinuïteiten worden gedetecteerd en gemeten met behulp van seismologische methoden.
  • Bovenmantel: De bovenmantel begint op een diepte van 410 km en reikt tot aan de aardkorst. Het bestaat uit peridotiet , dat is samengesteld uit olivijn en pyroxeen , evenals een granaatcomponent . Het bovenste deel van de mantel omvat de zogenaamde lithosfeer , die ook de aardkorst omvat , en de taaie plastic asthenosfeer eronder.

De aardmantel maakt ongeveer twee derde van de massa van de aarde uit ; de gemiddelde dichtheid van zijn schelpen ligt tussen 3¼ en iets minder dan 5 g/cm 3 . De bovengrens van de aardmantel wordt de Mohorovičić-discontinuïteit genoemd (ook wel afgekort tot Moho ). Het werd al in 1909 gedetecteerd vanwege zijn opvallende dichtheidssprong van ongeveer 0,5 g / cm 3 , die sterke aardbevingsgolven afbuigt of weerkaatst naar het aardoppervlak.

Jas convectie

De tot de bovenmantel behorende asthenosfeer (afgeleid van het Griekse asthenos "zwak") strekt zich, afhankelijk van de dikte van de lithosfeer, uit van ongeveer 60-150 km tot een diepte van ongeveer 210 km. Vanwege het gedeeltelijk gesmolten rotsmateriaal vertoont het verminderde seismische snelheden en een viscoplastische reologie . Met zijn vloeibaarheid is het een belangrijk onderdeel van het concept van mantelconvectie: de lithosferische platen "drijven" erop, die door de convectiestromen van de aardmantel tegen elkaar worden verschoven en zo leiden tot tektonische processen zoals continentale drift of aardbevingen .

aardkorst

Hypsografische wereldkaart

De aardkorst is de buitenste laag van de lithosfeer - die ook de stijve lithosferische mantel van de bovenste aardmantel omvat - en bestaat uit twee zeer verschillende soorten korst:

  • Oceanische korst : De oceanische korst, met een dikte van 5 tot 10 km, vormt een relatief dunne laag rond de aardmantel. Het bestaat uit enorme massieve platen die constant in slow motion zijn en drijven op de "vloeistoflaag" (asthenosfeer) van de bovenmantel. In de verspreidingszones van de aardkorstplaten, de mid-oceanische ruggen , dringen alkalische magma's constant binnen en koelen ze af. Ze stollen tot basalt op en nabij de zeebodem en tot gabbro op grotere diepten van de korst. Op deze manier wordt - vergelijkbaar met een lopende band - nieuwe oceanische korst geproduceerd. Dit is de reden waarom de oceanische korst ouder en ouder wordt naarmate de afstand tot de rand toeneemt; dit kan over een groot gebied worden aangetoond vanwege de verschillende magnetische polariteit. Omdat het in subductiezones terug in de mantel duikt en naar de kern-mantelgrens zinkt, is het nergens ouder dan 200 miljoen jaar.
  • Continentale aardkorst : Het bestaat uit afzonderlijke platen, ook wel continenten genoemd, die worden omgeven door oceanische korst. De continentale korst "drijft" ook op de asthenosfeer. Waar het het dikst is, rijst het op als een hoog bergmassief ( isostasie ). In de gedetailleerde structuur toont de continentale korst een verdeling in een brosse bovenkorst en een ductiele onderkorst, die worden veroorzaakt door minerale transformaties ( modificatieveranderingen ) en gescheiden door de Conrad-discontinuïteit .

De bovengrens van de aardkorst is ofwel de bodem van het waterlichaam of het grensvlak tussen de atmosfeer en het droge. [2] Dat wil zeggen, sedimenten in meren en zeeën zullen aan de korst worden toegevoegd.

De dikte van de continentale korst ligt tussen de 30 en 60 kilometer met een wereldgemiddelde van ongeveer 35 km. Het is voornamelijk samengesteld uit kristallijne gesteenten , waarvan de belangrijkste componenten kwarts en veldspaat zijn . Chemisch gezien bestaat de continentale korst uit 47,2 gewichtsprocent (62,9 atoomprocent of 94,8 vol.%) zuurstof, dwz het vormt een dichte, keiharde pakking van zuurstof, die bijvoorbeeld wordt gebonden in de vorm van siliciumdioxide (kwarts). In de aardkorst en op het oppervlak zijn de rotsen onderhevig aan een constant proces van transformatie, ook wel de gesteentecyclus genoemd . Tegenwoordig zijn er geen rotsen meer die onveranderd zijn gebleven sinds de eerste korstvorming in de geschiedenis van de aarde . De oudste rotsen ooit gevonden op eerdere continentale randen ( terrane ) hebben een protolietleeftijd van 4,03 miljard jaar (zie ook De oudste rots ).

Verkenning van de schilstructuur van de aarde

Kennis over de structuur van de aarde komt uit verschillende geofysische bronnen, geochemische of mineralogische analyses van vulkanisch gesteente, laboratoriumexperimenten over de stabiliteit van mineralen en analogieën met buitenaardse hemellichamen.

Gravimetrie en isostase

De eerste aanwijzingen voor het binnenste van de aarde waren het gevolg van de gemiddelde dichtheid van 5,5 g/cm 3 , die kon worden berekend met behulp van de wet van de zwaartekracht door de massa van de aarde te bepalen . Aangezien rotsen dicht bij het oppervlak gemiddeld 2,7 g / cm 3 hebben , moet het binnenste van de aarde minstens 2 tot 3 keer zo dicht zijn (ijzer heeft ongeveer 8 g / cm 3 ).

Al in het begin van de 19e eeuw toonden metingen van de verticale richting aan dat het binnenste van de aarde een lagere dichtheid heeft onder hoge bergen . Nauwkeurige zwaartekrachtmetingen ( gravimetrie ) lieten al snel zien dat de vaste aardkorst daar dikker is dan elders, en dat de aardmantel eronder uit zwaardere rotsen bestaat. Grote bergketens, zoals ijsbergen , duiken dieper in het binnenste van de aarde naarmate ze hoger zijn. Deze “zwemmen evenwicht ” wordt genoemd isostasis . Satellietgeodesie kan ook worden gebruikt om op een vergelijkbare manier diepere anomalieën in de aardmantel te lokaliseren.

Boren

De diepste put ooit geboord vond plaats in Rusland op het Kola- schiereiland ( Kola-put ) en leidde tot een diepte van 12,3 km. Hier kon de bovenste laag van de continentale korst worden onderzocht, die op dit punt een dikte heeft van ongeveer 30 km. Een ander boorgat, het zogenaamde continentale diepe boorgat (KTB), dat 9,1 km heeft bereikt, werd uitgevoerd in de buurt van Windischeschenbach in de Duitse Opper-Palts . Met een geplande diepte van 14 km zou het mogelijk zijn geweest om de continentale korst te verkennen op de veronderstelde naad waar delen van de continenten Ur-Afrika en Ur-Europa 300 miljoen jaar geleden met elkaar in botsing kwamen (zie ook Armorica ).

Diepe boorgaten verplaatsen zich in het bovenste tot middelste aardkorstgebied en kunnen daarom slechts een klein inzicht geven in het binnenste van de aarde. Als men de aarde zou verkleinen tot de grootte van een appel, zouden onze diepste boringen niet veel meer overeenkomen dan boren in de schil. Oprukken naar grotere diepten door te boren is momenteel technisch niet mogelijk: De hoge drukken (op een diepte van 14 km ca. 400 MPa ) en temperaturen (op een diepte van 14 km ca. 300 ° C) vragen om nieuwe oplossingen.

Vulkanische activiteit

De grootste diepte van waaruit materiaal tot het aardoppervlak doordringt en daardoor de verschillende vormen van vulkanisme creëert, bevindt zich op de grenslaag tussen de buitenste kern en de onderste mantel, zoals bijvoorbeeld te zien is in pluimen . Het materiaal dat bij een uitbarsting wordt gewonnen, komt uit verschillende delen van de aardmantel en kan dienovereenkomstig worden geanalyseerd.

Verdere informatie over de eigenschappen van de mantel kan worden verkregen door onderzoek te doen naar de mid-oceanische ruggen . De mantel, die direct onder de plaatgrens ligt, stijgt om de ruimte in de resulterende gaten te vullen. Normaal gesproken smelt het mantelgesteente als gevolg van de drukontlasting en vormt na afkoeling de nieuwe oceaankorst op de zeebodem . Deze ongeveer 8 km dikke korst sluit de toegang tot het oorspronkelijke mantelgesteente af. Een interessante uitzondering is mogelijk de mid-oceanische rug tussen Groenland en Rusland , de Gakkelrug , die met minder dan 1 cm per jaar de langzaamst uitspreidende rug op aarde is. De aardmantel stijgt hier heel langzaam. Er wordt dus geen smelt en dus ook geen korst gevormd. Het mantelgesteente lag daardoor direct op de zeebodem.

seismologie

De referentiesnelheidsmodellen PREM en IASP91 ter vergelijking. De lijnen tonen de seismische snelheden van de P (donkergroen voor PREM, zwart voor IASP91) en S-golven (lichtgroen of grijs) in de aarde

De aarde wordt elke dag opgeschud door aardbevingen die worden geregistreerd door meetstations over de hele wereld. De seismische golven die afkomstig zijn van aardbevingen doorkruisen het hele lichaam van de aarde, waarbij de seismische energie zich met verschillende snelheden in de verschillende lagen voortplant. De voortplantingssnelheden zijn afhankelijk van de elastische eigenschappen van het gesteente. De structuur van het binnenste van de aarde kan worden onderzocht aan de hand van de looptijden van seismische golftreinen, het optreden van gereflecteerde golven en andere seismologisch meetbare effecten zoals demping of verstrooiing .

In 1912 Beno Gutenberg eerst geïdentificeerd de grens tussen het silicaat bekledingsmateriaal en nikkel - ijzeren kern op een diepte van 2900 km. Kort daarvoor had de Kroatische geofysicus Andrija Mohorovičić het naar hem vernoemde grensvlak tussen aardkorst en mantel ontdekt . Beide waren mogelijk omdat duidelijke impedantiesprongen - voornamelijk veroorzaakt door plotselinge veranderingen in de voortplantingssnelheid van aardbevingsgolven, zogenaamde "seismische discontinuïteiten " - meetbare gereflecteerde fasen genereren. Discontinuïteiten kunnen van chemische aard zijn. Deze zijn gebaseerd op een verandering in de chemische samenstelling van de aardlagen, waardoor de elastische eigenschappen veranderen. In de overgangszone bijvoorbeeld (MTZ, Eng.: mantelovergangszone) maar er zijn ook discontinuïteiten die samenhangen zonder een verandering in chemische samenstelling. Deze zijn gebaseerd op fasetransformaties , waarbij een mineraal zichzelf transformeert in een anders gestructureerd en meestal dichter mineraal van dezelfde samenstelling met een toename van druk en/of temperatuur.

Meteorieten, ouderdom van de aarde

Naast de hierboven genoemde methoden, zijn onze ideeën over de substantie van het binnenste van de aarde gebaseerd op conclusies naar analogie op basis van de samenstelling van meteorieten . Chondritische meteorieten zijn nauwelijks veranderd sinds de vorming van het zonnestelsel. Er wordt daarom aangenomen dat de algehele chemische samenstelling van de aarde vergelijkbaar is met die van de chondrieten, aangezien deze op hun beurt vermoedelijk vergelijkbaar zijn met de planetesimalen[3] waaruit de aarde is gevormd. De meteorieten bevatten ook fragmenten van gedifferentieerde moederlichamen: ijzermeteorieten en de pallasieten die behoren tot de steen-ijzermeteorieten komen vermoedelijk uit de aardkern of het overgangsgebied tussen kern en mantel van gedifferentieerde asteroïden, terwijl de achondrieten uit hun mantel of korst komen. Met behulp van de meteorieten kunnen materialen uit het kern- en mantelgebied worden onderzocht die niet toegankelijk zijn voor direct onderzoek op aarde.

Meteorieten spelen een grote rol bij het dateren van het zonnestelsel en ook van de aarde. Clair Cameron Patterson en Friedrich Georg Houtermans concludeerden voor het eerst dat de aarde in de jaren vijftig 4,55 miljard jaar oud was door middel van uranium-looddatering op de ijzermeteoriet Canyon Diablo . Dateringsmethoden op basis van andere isotopensystemen (bijv. 87 Rb- 87 Sr, 147 Sm- 143 Nd) hebben sindsdien deze leeftijd bevestigd. Het oudste materiaal dat op aarde is gevonden, zijn zirkoniumkristallen in West-Australië met een leeftijd tot 4,4 miljard jaar, wat dus een ondergrens vormt voor de leeftijd van de aarde.[3]

Zie ook

literatuur

  • Cesare Emiliani : Planeet Aarde. Kosmologie, geologie en de evolutie van leven en milieu , ISBN 0-521-40949-7 , Cambridge University Press, Cambridge 1992.
  • László Egyed : Solid Earth Physics , Akadémiai Kiadó, Boedapest 1969, 370 pp.
  • Walter Kertz : Inleiding tot de geofysica , Spektrum Akademischer Verlag 1970/1992, 232 pp.
  • Karl Ledersteger : Astronomische en fysieke geodesie . In: Jordan / Eggert / Kneissl (Hrsg.): Handbuch der Vermessungskunde, Volume V, Verlag JB Metzler, Stuttgart 1969, 871 pp.
  • Harry Y. McSween, Jr.: Meteorieten en hun ouderplaneten. , ISBN 0-521-58303-9 , Cambridge University Press, Cambridge 1999.
  • Frank Press , Raymond Siever: De aarde begrijpen , ISBN 0-7167-3504-0 , WH Freeman, New York 2000.
  • David Graham Smith: The Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences , ISBN 0-521-23900-1 , Cambridge University Press, Cambridge 1981.
  • Harald Zepp : Plattegrond algemene geografie. Geomorfologie , 3e editie, ISBN 3-8252-2164-4 , Verlag Ferdinand Schöningh GmbH, Paderborn 2004.

web links

Commons : Structuur van de aarde - verzameling afbeeldingen, video's en audiobestanden

Referenties en voetnoten

  1. ^ Edward J. Tarbuck, Frederick K. Lutgens : Algemene Geologie . Red.: Pearson Education Deutschland GmbH. 9e editie. München 2009, ISBN 978-3-8273-7335-9 , blz.   402-404 (Engels: Earth: An Introduction to Physical Geology . Vertaald door Tatjana D. Logan. ).
  2. Opmerking: de term aardoppervlak daarentegen staat voor het gehele basisgebied van de atmosfeer van de aarde, d.w.z. het landoppervlak dat in de lucht wordt blootgesteld en het wateroppervlak.
  3. a b Het planetaire en meteorietenstelsel van de zon wordt gekenmerkt door een relatief lage helling ( ecliptica ) van de banen van de beschouwde hemellichamen ten opzichte van het equatoriale vlak van de zon. Men kan dus spreken van een “accretieschijf”, zoals die meestal kenmerkend is voor roterende systemen.