Aufbau der Erde, wobei der untere Erdmantel gekennzeichnet ist

Der untere Erdmantel , historisch auch Mesosphäre genannt , nimmt etwa 56 % des Erdvolumens ein und ist die Region von 660 bis 2890 km Tiefe unter der Erdoberfläche , zwischen der Übergangszone und dem äußeren Erdkern . [ 1 ] Das vorläufige Referenzmodell der Erde (PREM) unterteilt den unteren Erdmantel in drei Abschnitte: den obersten (660–770 km), den mittleren unteren Erdmantel (770–2700 km) und die D-Schicht (2700–2890 km). [ 2 ]

Druck und Temperatur im unteren Erdmantel liegen zwischen 24 und 127 GPa (3.500.000–18.400.000 psi) [ 2 ] bzw. 1.900 und 2.600 K (1.630–2.330 °C; 2.960–4.220 °F) [ 3 ] . Es wird angenommen, dass der untere Erdmantel pyrolitisch ist [ 4 ] und drei Hauptphasen enthält: Bridgmanit , Ferroperiklas und Calciumsilikat-Perowskit. Der hohe Druck im unteren Erdmantel induziert nachweislich einen Spinübergang von eisenhaltigem Bridgmanit und Ferroperiklas [ 5 ] , was sowohl die Dynamik von Mantelplumes [ 6 ] [ 7 ] als auch die Chemie des unteren Erdmantels beeinflussen kann [ 5 ] . Der Erdmantel bewegt sich mit etwa 1 cm (0,39 Zoll) pro Jahr. [ 8 ]

Die obere Grenze wird durch den abrupten Anstieg der seismischen Wellengeschwindigkeiten und der Dichte in einer Tiefe von 660 km (410 Meilen) definiert. [ 9 ] In dieser Tiefe zersetzt sich Ringwoodit γ-( (Mg,Fe) ₂SiO₄ ) in Mg-Si-Perowskit und Magnesiowüstit . [ 9 ] Diese Reaktion markiert die Grenze zwischen oberem und unterem Mantel. Diese Messung basiert auf seismischen Daten und Hochdruck-Laborexperimenten. Die Basis der Mesosphäre umfasst die D″ -Zone , die sich knapp oberhalb der Mantel-Kern-Grenze in etwa 2700–2890 km (1678–1796 Meilen) befindet . [ 9 ]

Physikalische Eigenschaften

Der untere Erdmantel wurde in Bullens sphärisch-symmetrischem Erdmodell zunächst als D-Schicht bezeichnet. [ 10 ] Das PREM-Seismikmodell des Erdinneren unterteilte die D-Schicht in drei unterschiedliche Schichten, die durch die Diskontinuität der seismischen Wellengeschwindigkeiten definiert sind : [ 2 ]

  • 660–770 km: Eine Diskontinuität in der Kompressionswellengeschwindigkeit (6–11 %), gefolgt von einem steilen Gradienten, deutet auf die Umwandlung des Minerals Ringwoodit in Bridgmanit und Ferroperiklas und den Übergang von der Übergangszone zum unteren Erdmantel hin.
  • 770–2700 km: Ein allmählicher Anstieg der Geschwindigkeit deutet auf die adiabatische Kompression der Mineralphasen im unteren Erdmantel hin.
  • 2700–2900 km: Die D-Schicht gilt als Übergang vom unteren Erdmantel zum äußeren Erdkern .

Die Temperatur des unteren Erdmantels variiert zwischen 1960 K (1690 °C; 3070 °F) in der obersten Schicht und 2630 K (2360 °C; 4270 °F) in einer Tiefe von 2700 Kilometern (1700 Meilen). [ 3 ] Modelle zur Temperatur des unteren Erdmantels gehen näherungsweise davon aus, dass Konvektion den primären Wärmetransportmechanismus darstellt, während Wärmeleitung und Strahlung vernachlässigbar sind. Daher verläuft der Temperaturgradient des unteren Erdmantels in Abhängigkeit von der Tiefe annähernd adiabatisch. [ 1 ] Die Berechnung des geothermischen Gradienten ergab einen Abfall von 0,47 Kelvin pro Kilometer (0,47 °C/km; 1,4 °F/mi) im obersten unteren Erdmantel auf 0,24 Kelvin pro Kilometer (0,24 °C/km; 0,70 °F/mi) in 2600 Kilometern (1600 mi). [ 3 ]

Zusammensetzung

Der untere Erdmantel besteht hauptsächlich aus drei Komponenten: Bridgmanit, Ferroperiklas und Calciumsilikat-Perowskit (CaSiO₃ - Perowskit). Der Anteil jeder Komponente war historisch Gegenstand von Diskussionen; die Gesamtzusammensetzung wird wie folgt angenommen:

  • Pyrolitisch: abgeleitet aus petrologischen Zusammensetzungstrends von Peridotit des oberen Mantels , die auf eine Homogenität zwischen oberem und unterem Mantel mit einem Mg/Si-Verhältnis von 1,27 hindeuten. Dieses Modell impliziert, dass der untere Mantel zu 75 Vol.-% aus Bridgmanit, zu 17 Vol.-% aus Ferroperiklas und zu 8 Vol.-% aus CaSiO₃ - Perowskit besteht. [ 4 ]
  • Chondritisch: Dies deutet darauf hin, dass der untere Erdmantel aus der Zusammensetzung chondritischer Meteoriten entstanden ist , was auf ein Mg/Si-Verhältnis von ungefähr 1 schließen lässt. Daraus lässt sich schließen, dass Bridgmanit und CaSiO 3 -Perowskite Hauptbestandteile sind.

Laborexperimente mit Mehrstempelpressen an Pyrolit simulierten die Bedingungen der adiabatischen Geotherme und maßen die Dichte mittels in-situ -Röntgenbeugung . Es zeigte sich, dass das Dichteprofil entlang der Geotherme mit dem PREM- Modell übereinstimmt . [ 11 ] Berechnungen des Dichte- und Geschwindigkeitsprofils entlang der Geotherme des unteren Mantels mit unterschiedlichen Bridgmanit- und Ferroperiklasanteilen ergaben eine Übereinstimmung mit dem PREM-Modell bei einem Verhältnis von 8:2. Dieses Verhältnis entspricht der pyrolitischen Gesamtzusammensetzung im unteren Mantel. [ 12 ] Weiterhin ergaben Scherwellengeschwindigkeitsberechnungen pyrolitischer Zusammensetzungen des unteren Mantels unter Berücksichtigung von Spurenelementen eine Übereinstimmung mit dem PREM-Scherwellengeschwindigkeitsprofil innerhalb von 1 %. [ 13 ] Brillouin-spektroskopische Untersuchungen bei relevanten Drücken und Temperaturen zeigten hingegen, dass ein unterer Mantel mit einem Bridgmanitanteil von über 93 % Scherwellengeschwindigkeiten aufweist, die mit gemessenen seismischen Geschwindigkeiten übereinstimmen. Die vorgeschlagene Zusammensetzung stimmt mit einem chondritischen unteren Mantel überein. [ 14 ] Daher ist die Gesamtzusammensetzung des unteren Mantels derzeit Gegenstand von Diskussionen.

Spinübergangszone

Die elektronische Umgebung zweier eisenhaltiger Minerale im unteren Erdmantel (Bridgmanit, Ferroperiklas) ändert sich von einem High-Spin- (HS) zu einem Low-Spin-Zustand (LS). [ 5 ] Fe²⁺ im Ferroperiklas durchläuft diesen Übergang zwischen 50 und 90 GPa. Bridgmanit enthält sowohl Fe³⁺ als auch Fe²⁺ in seiner Struktur. Das Fe²⁺ besetzt die A-Position und geht bei 120 GPa in den LS-Zustand über. Fe³⁺ besetzt sowohl die A- als auch die B-Position. Das Fe³⁺ auf der B-Position durchläuft den HS-LS-Übergang zwischen 30 und 70 GPa, während das Fe³⁺ auf der A-Position mit dem Al³⁺ -Kation auf der B-Position austauscht und ebenfalls in den LS-Zustand übergeht. [ 15 ] Dieser Spinübergang des Eisen-Kations führt zu einer Erhöhung des Verteilungskoeffizienten zwischen Ferroperiklas und Bridgmanit auf 10–14, wodurch Bridgmanit an Fe²⁺ verarmt und Ferroperiklas angereichert wird . [ 5 ] Es wurde berichtet, dass der HS-LS-Übergang die physikalischen Eigenschaften der eisenhaltigen Minerale beeinflusst. So wurde beispielsweise eine Zunahme der Dichte und Inkompressibilität von Ferroperiklas beim Übergang vom HS- zum LS-Zustand beobachtet. [ 16 ] Die Auswirkungen des Spinübergangs auf die Transporteigenschaften und die Rheologie des unteren Erdmantels werden derzeit mithilfe numerischer Simulationen untersucht und diskutiert.

Geschichte

Die Mesosphäre (nicht zu verwechseln mit der Mesosphäre , einer Schicht der Atmosphäre ) leitet sich von „mesosphärischer Schale“ ab, einem Begriff, der von Reginald Aldworth Daly , einem Geologieprofessor der Harvard University , geprägt wurde . In der Zeit vor der Plattentektonik folgerte Daly (1940), dass die äußere Erde aus drei sphärischen Schichten besteht: Lithosphäre (einschließlich der Erdkruste ), Asthenosphäre und mesosphärischer Schale. [ 17 ] Dalys hypothetische Tiefen der Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze lagen zwischen 80 und 100 km, und die Oberkante der mesosphärischen Schale (Untergrenze der Asthenosphäre) lag zwischen 200 und 480 km. Daraus schloss er, dass Dalys Asthenosphäre 120 bis 400 km dick war. Laut Daly könnte sich die Basis der festen Erdmesosphäre bis zur Basis des Erdmantels (und damit bis zur Oberseite des Erdkerns ) erstrecken.

Der abgeleitete Begriff „ Mesoplatten “ wurde als Heuristik eingeführt , basierend auf einer Kombination aus „Mesosphäre“ und „Platte“, für postulierte Bezugssysteme, in denen Mantel- Hotspots existieren. [ 18 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ a b Kaminsky, Felix V. (2017). Der untere Erdmantel: Zusammensetzung und Struktur . Cham: Springer. ISBN 9783319556840OCLC  988167555 .​
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  3. Katsura , Tomoo; Yoneda, Akira; Yamazaki, Daisuke; Yoshino , Takashi ; Ito, Eiji (2010). „Adiabatisches Temperaturprofil im Erdmantel“. Physics of the Earth and Planetary Interiors . 183 ( 1–2 ): 212–218 . Bibcode : 2010PEPI..183..212K . doi : 10.1016/j.pepi.2010.07.001 . ISSN 0031-9201 . 
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