Zusammensetzung und Struktur der tiefen Erde

Die Erde ist in einen metallischen Kern, einen silikatischen Mantel und eine dünne Kruste gegliedert. Diese Schichtstruktur wird durch die Kombination von seismischen Profilen mit der Physik des Mineralverhaltens in der Tiefe abgeleitet.

Definition

Die Zusammensetzung und Struktur der tiefen Erde bezieht sich auf die chemische Beschaffenheit und die geschichtete physikalische Organisation des Erdinneren, bestehend aus einem eisenreichen Kern, einem silikatischen Mantel und einer Kruste, abgeleitet aus seismischen Geschwindigkeits- und Dichtemodellen in Kombination mit Mineralphysik und Geochemie.

Scope

Dieses Thema behandelt die chemische Zusammensetzung und physikalische Struktur des tiefen Erdinneren: die Hauptschichten und die Grenzen zwischen ihnen, den eisenreichen Kern mit seinen flüssigen und festen Teilen, den silikatischen Mantel und seine durch Phasenübergänge bedingten Unterteilungen sowie den seismisch eigenständigen untersten Mantel. Es werden Referenz-Erdmodelle für Dichte und Geschwindigkeit, die Adams-Williamson-Beziehung und das Birch'sche Gesetz, das Geschwindigkeit mit Dichte und Zusammensetzung verknüpft, sowie geochemische und kosmochemische Einschränkungen der Massenzusammensetzung behandelt. Der Schwerpunkt liegt darauf, woraus die tiefe Erde besteht und wie sie angeordnet ist.

Core questions

• Was sind die Hauptschichten der Erde und die Grenzen zwischen ihnen?
• Woraus besteht der Kern und warum ist ein Teil fest und ein Teil flüssig?
• Wie unterteilen Phasenübergänge den Mantel?
• Wie werden seismische Geschwindigkeit und Dichte genutzt, um die Zusammensetzung abzuleiten?

Key concepts

• Differenzierung von Kruste, Mantel und Kern
• Flüssiger äußerer Kern und fester innerer Kern
• Mantel-Übergangszone und Phasenänderungen
• Referenz-Erdmodelle für Dichte und Geschwindigkeit
• Birch'sches Gesetz und Adams-Williamson-Beziehung

Key theories

Referenz-Erdmodelle

Kugelsymmetrische Modelle wie PREM kompilieren seismische Geschwindigkeit, Dichte und Dämpfung als Funktionen der Tiefe, definieren die Hauptschichten und dienen als quantitative Grundlage für die Interpretation der Struktur der tiefen Erde.

Birch'sches Gesetz und Zusammensetzung

Birchs empirische Beziehung zwischen seismischer Geschwindigkeit und Dichte bei festem mittlerem Atomgewicht ermöglicht es, die durch Seismologie gemessenen elastischen Eigenschaften in Einschränkungen der Zusammensetzung und des Zustands des tiefen Erdinneren zu übersetzen.

Mechanisms

Früh in ihrer Geschichte differenzierte sich die Erde, wobei dichtes Eisen absank, um einen Kern zu bilden, während leichtere Silikate aufstiegen, um den Mantel und die Kruste zu bilden; seismische Geschwindigkeiten und Dichtesprünge markieren die Grenzen zwischen diesen Schichten und die druckinduzierten Phasenübergänge innerhalb des Mantels. Der Abgleich dieser Daten mit den elastischen Eigenschaften von Kandidatenmineralien und -metallen, geleitet durch das Birch'sche Gesetz und Meteoritenzusammensetzungen, legt die wahrscheinliche Zusammensetzung jeder Schale fest.

Clinical relevance

Das Wissen über die Zusammensetzung und Struktur des Erdinneren untermauert Modelle der Mantelkonvektion, des Geodynamos sowie der thermischen und chemischen Evolution der Erde und bietet den Referenzrahmen für die Lokalisierung von Erdbeben und die Interpretation seismischer Tomographie.

History

Die Seismologie des frühen 20. Jahrhunderts enthüllte Kern und Mantel, Lehmann entdeckte 1936 den inneren Kern, Bullen unterteilte das Innere in benannte Schalen, Birch brachte 1952 die Geschwindigkeit mit der Zusammensetzung in Verbindung, und das Preliminary Reference Earth Model von 1981 synthetisierte diese Erkenntnisse zu dem noch heute verwendeten radialen Standardmodell.

Key figures

• Inge Lehmann
• Francis Birch
• Adam Dziewonski
• Keith Bullen

Seminal works

• dziewonski1981
• birch1952
• stacey2008

Frequently asked questions

Was sind die Hauptschichten der Erde?

Von außen nach innen hat die Erde eine dünne felsige Kruste, einen dicken silikatischen Mantel, der den größten Teil ihres Volumens ausmacht, einen flüssigen eisenreichen äußeren Kern und einen festen inneren Kern; diese unterscheiden sich durch ihre Zusammensetzung und dadurch, wie sich seismische Wellen an den Grenzen zwischen ihnen in ihrer Geschwindigkeit ändern.

Warum ist der äußere Kern flüssig, der innere Kern aber fest?

Beide bestehen hauptsächlich aus Eisen, aber obwohl die Temperatur mit der Tiefe ansteigt, steigt der Druck noch schneller an; tief genug erhöht der sehr hohe Druck den Schmelzpunkt von Eisen über die lokale Temperatur, so dass der innere Kern fest ist, während der etwas flachere, im Verhältnis zu seinem Schmelzpunkt kühlere äußere Kern flüssig bleibt.