Wie alle anderen terrestrischen Planeten (Merkur, Venus und Mars) ist die Erde aus vielen Schichten aufgebaut. Dies ist das Ergebnis einer planetarischen Differenzierung, bei der dichtere Materialien in das Zentrum sinken und den Kern bilden, während sich außen herum leichtere Materialien bilden. Während der Kern hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, sind die oberen Schichten der Erde aus Silikatgestein und Mineralien aufgebaut.
Dieser Bereich wird als Erdmantel bezeichnet und macht den größten Teil des Erdvolumens aus. Die Bewegung, oder Konvektion, in dieser Schicht ist auch für alle vulkanischen und seismischen Aktivitäten der Erde verantwortlich. Informationen über die Struktur und Zusammensetzung des Mantels sind entweder das Ergebnis geophysikalischer Untersuchungen oder von direkten Analysen von Gesteinen, die aus dem Mantel stammen, oder von freigelegtem Mantel auf dem Meeresboden.
Definition:
Der Mantel besteht aus silikatischem Gesteinsmaterial mit einer durchschnittlichen Dicke von 2.886 Kilometern und befindet sich zwischen der Erdkruste und dem oberen Erdkern. Der Mantel macht 84 % des Volumens der Erde aus, verglichen mit 15 % im Kern und dem Rest, der von der Kruste eingenommen wird. Obwohl er überwiegend fest ist, verhält er sich wie eine viskose Flüssigkeit, da die Temperaturen in dieser Schicht nahe dem Schmelzpunkt liegen.
Unser Wissen über den oberen Erdmantel, einschließlich der tektonischen Platten, stammt aus Analysen von Erdbebenwellen, Wärmefluss-, Magnet- und Gravitationsstudien sowie Laborexperimenten an Gesteinen und Mineralien. Zwischen 100 und 200 Kilometern unter der Erdoberfläche liegt die Temperatur des Gesteins nahe dem Schmelzpunkt; geschmolzenes Gestein, das von einigen Vulkanen ausgebrochen wird, stammt aus dieser Region des Mantels.
Struktur und Zusammensetzung:
Der Mantel wird in Abschnitte unterteilt, die auf Ergebnissen der Seismologie basieren. Diese sind der obere Mantel, der sich von etwa 7 bis 35 km (4,3 bis 21.Der obere Mantel erstreckt sich von etwa 7 bis 35 km von der Oberfläche bis in eine Tiefe von 410 km; die Übergangszone, die sich von 410 bis 660 km erstreckt; der untere Mantel, der von 660 km bis in eine Tiefe von 2.891 km reicht; und die Kern-Mantel-Grenze, die eine variable Mächtigkeit hat (im Durchschnitt ~200 km).
Im oberen Mantel werden zwei Hauptzonen unterschieden. Die innerste davon ist die innere Asthenosphäre, die aus plastisch fließendem Gestein besteht und im Durchschnitt etwa 200 km dick ist. Die äußere Zone ist der unterste Teil der Lithosphäre, die aus festem Gestein besteht und etwa 50 bis 120 km dick ist.
Der obere Teil der Lithosphäre ist die Erdkruste, eine dünne, etwa 5 bis 75 km dicke Schicht, die von der Erdoberfläche getrennt ist.6 mi) dick ist, die vom Erdmantel durch die Mohorovicic-Diskontinuität (oder „Moho“, die durch eine starke Zunahme der Geschwindigkeit von Erdbebenwellen nach unten definiert ist) getrennt ist.
An einigen Stellen unter dem Ozean ist der Erdmantel tatsächlich freigelegt. Auch an Land gibt es einige Stellen, an denen Mantelgestein durch tektonische Aktivität an die Oberfläche gedrückt wurde, vor allem in der Region der Tablelands im Gros Morne National Park in Neufundland und Labrador, Kanada, auf der St. John’s Insel in Ägypten oder auf der Insel Zabargad im Roten Meer.
In Bezug auf seine Bestandteile besteht der Mantel aus 44,8% Sauerstoff, 21,5% Silizium und 22,8% Magnesium. Außerdem gibt es Eisen, Aluminium, Kalzium, Natrium und Kalium. Diese Elemente sind alle in Form von Silikatgesteinen gebunden, die alle die Form von Oxiden haben. Das häufigste ist Siliziumdioxid (SiO2) mit 48 %, gefolgt von Magnesiumoxid (MgO) mit 37,8 %. Beispiele für Gesteine, die man im Erdmantel finden kann, sind: Olivin, Pyroxene, Spinell und Granat.
Konvektion:
Aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen der Erdoberfläche und dem äußeren Erdkern gibt es im Erdmantel eine konvektive Materialzirkulation. Diese besteht aus der langsamen, kriechenden Bewegung des silikatischen Erdmantels über die Oberfläche und transportiert Wärme aus dem Erdinneren an die Oberfläche. Während heißes Material zur Oberfläche aufsteigt, sinkt kühleres, schwereres Material nach unten.
Die Lithosphäre ist in eine Reihe von Platten unterteilt, die an ihren gegenüberliegenden Plattengrenzen ständig neu gebildet und verbraucht werden. Abwärtsbewegungen von Material finden in Subduktionszonen statt, Orte an konvergenten Plattengrenzen, wo sich eine Mantelschicht unter eine andere bewegt. Akkretion tritt auf, wenn Material an den wachsenden Rändern einer Platte hinzugefügt wird, was mit der Spreizung des Meeresbodens verbunden ist.
Dieser chaotische Prozess ist vermutlich ein integraler Bestandteil der Bewegung von Platten, was wiederum zur Kontinentalverschiebung führt. Subduzierte ozeanische Kruste ist auch die Ursache für Vulkanismus, wie der Pazifische Feuerring zeigt.
Exploration:
Wissenschaftliche Untersuchungen und Erkundungen des Mantels werden aufgrund der relativen Dicke der ozeanischen Kruste im Vergleich zur kontinentalen Kruste in der Regel am Meeresboden durchgeführt. Der erste Versuch zur Erforschung des Erdmantels (bekannt als Projekt Mohole) erreichte eine tiefste Eindringtiefe von ca. 180 Metern (590 Fuß). Es wurde 1966 nach wiederholten Fehlschlägen und Kostenüberschreitungen aufgegeben.
Im Jahr 2005 erreichte das Ozeanbohrschiff JOIDES Resolution ein Bohrloch, das 1.416 Meter tief unter dem Meeresboden lag. Im Jahr 2007 untersuchte ein Team von Wissenschaftlern an Bord des britischen Forschungsschiffes RRS James Cook einen freiliegenden Mantelabschnitt zwischen den Kapverdischen Inseln und dem Karibischen Meer.
In den letzten Jahren wurde eine Methode zur Erkundung der Erdschichten vorgeschlagen, bei der eine kleine, dichte, Wärme erzeugende Sonde zum Einsatz kommt. Diese würde sich durch Kruste und Mantel schmelzen und über akustische Signale kommunizieren, die beim Durchdringen des Gesteins entstehen. Die Sonde würde aus einer äußeren Hülle aus Wolfram mit einem Kern aus Kobalt-60 bestehen, der als radioaktive Wärmequelle fungiert.
Es wurde berechnet, dass eine solche Sonde die ozeanische Moho in weniger als 6 Monaten erreicht und in wenigen Jahrzehnten minimale Tiefen von weit über 100 km unter der ozeanischen und kontinentalen Lithosphäre erreicht. Im Jahr 2009 erstellte eine Supercomputer-Anwendung eine Simulation, die neue Einblicke in die Verteilung von Mineralvorkommen aus der Zeit der Entstehung des Erdmantels vor 4,5 Milliarden Jahren lieferte.
Während der Erdmantel noch nicht in nennenswerter Tiefe erforscht wurde, hat man in den letzten Jahrhunderten viel aus indirekten Studien gelernt. Mit der weiteren Erforschung des Sonnensystems durch den Menschen werden wir sicherlich mehr über die terrestrischen Planeten, ihr geologisches Verhalten und ihre Entstehung erfahren.
Wir haben hier bei Universe Today viele Artikel über das Erdinnere geschrieben. Hier ist einer über den Erdmantel, die Entdeckung des inneren Erdkerns, Was ist der Unterschied zwischen Magma und Lava und ein Artikel darüber, dass der Erdkern schneller rotiert als die Erdkruste.
Weitere Informationen finden Sie bei der United States Geological Survey (USGS).
Astronomy Cast hat auch eine Folge zu diesem Thema. Hören Sie sie hier, Episode 51: Earth.