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Samenstelling van de Aarde
Schematischer Aufbau der Erde

Das chemische Zusammensetzung der Boden ist die Menge von allem chemische Elemente in der Erde. Diese werden normalerweise in gegeben Massenprozente. Die Erde besteht aus verschiedenen chemische Reservoirs (beispielsweise Atmosphäre, Hydrosphäre, Erdkruste, Mantel und Erdkern), die sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen aufweisen. Die chemische Zusammensetzung der durchschnittlichen Erde (Englisch: Massenzusammensetzung der Erde) ist die Summe all dieser Reservoirs.

Da nicht alle Reservoirs direkt messbar sind, ist die chemische Zusammensetzung der durchschnittlichen Erde nicht genau bekannt, aber unter bestimmten Annahmen eine Reihe von zuverlässigen Modelle erstellt. Diese werden in wissenschaftlichen Theorien in der Geochemie, Geologie und Astrophysik.

Zusammensetzung der Erde in Zahlen

Die chemische Zusammensetzung der Erde lässt sich ziemlich genau abschätzen und zeigt, dass acht Elemente zusammen etwa 98,8 % ihrer Masse ausmachen:

Reservoire in der Erde

sehen Bau der Erde und System Erde für die wichtigsten Artikel zu diesem Thema.

Die Erde dreht sich zu chemisch Komposition in drei Teile geteilt, von außen darin sind die Erdkruste, das Mantel und der Erdkern. Zu Physiker Eigenschaften wird unterschieden zwischen a Lithosphäre, ein Asthenosphäre, ein Mesosphäre und einen inneren und äußeren Kern. Für die Zusammensetzung ist nur die chemische Einstufung wichtig.

Dank an seismisch Beobachtungen, wir wissen, wie groß die Dichte und deshalb die Masse der verschiedenen Teile (Stauseen) der Erde.

  • Das Erdkruste kann direkt beobachtet werden und macht etwa 1% des Volumens und 0,5% der Masse der Erde aus (mittlere Dichte 2800 kg/m²3). Es gibt große Dichteunterschiede in der Kruste, zwischen kontinentaler und ozeanischer Kruste, aber auch zwischen den verschiedenen Krusten Felsen woraus diese bestehen.
  • das Mantel nimmt etwa 83 % des Volumens und 67,5 % der Masse der Erde ein. Die durchschnittliche Dichte des Mantels beträgt 4500 kg/m²3. Obwohl Material aus den höheren Teilen des Mantels an die Oberfläche kommt, wird angenommen, dass es nicht für den gesamten Mantel repräsentativ ist.
  • das Erdkern, das etwa 16 % des Volumens und 32 % der Masse der Erde ausmacht, hat eine durchschnittliche Dichte von 11.000 kg/m²3. Da die Kruste und der Mantel im Verhältnis zur Zusammensetzung der gesamten Erde erschöpft sind in Eisen und Nickel und dank seismologischer Messungen ist bekannt, dass der Kern hauptsächlich aus diesen Elementen bestehen muss.

Zusammensetzung der Kruste

sehen Erdkruste für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Dank an seismologische und geochemisch Aus der Forschung ist bekannt, dass die Erde chemisch gesehen aus etwa drei Schichten besteht. Die äußerste Schicht wird Erdkruste genannt. Mit einer Dicke von zehn Kilometern ist diese Schicht, auf der sich alles Leben auf der Erde abspielt, die dünnste und besteht aus unterschiedlichen Materialien. Das Ozeanische Kruste besteht aus schwereren Gesteinen wie Basalt (mafisch) und ist dünner. Der dickere kontinentale Kruste besteht aus leichteren Gesteinen, wie Granit (felsisch). Normalerweise bildet die Kruste zusammen mit dem oberen Teil des Mantels die Lithosphäre. An einigen (seltenen) Orten auf der Erde fehlt die Kruste jedoch und ist angeblich Mantelfelsen an der Oberfläche.

EIN Vulkanbombe bestehend aus (schwarz) Lava. In der Lava befindet sich ein grünes Fragment (ein sogenanntes Xenolith), was aus ... besteht Peridotit, das Gestein, das den größten Teil des Mantels ausmacht. Das Fragment kam mit ihm aus der Tiefe der Erde, als die Lava aufstieg.

Zusammensetzung des Mantels

sehen Mantel und Mantelkonvektion für die wichtigsten Artikel zu diesem Thema.

Nach 10 bis 80 Kilometer Tiefe beginnt der Mantel, der in Dicke, Masse und Volumen um ein Vielfaches größer ist als die Kruste. Der Mantel ist etwa 2.900 Kilometer dick und lässt sich in zwei Schichten unterteilen. Die Außenjacke hat eine Temperatur zwischen 1400 und 3000 Grad Celsius. Im Innenmantel sind es 3000 Grad Celsius, aber durch den hohen Druck ist das Material dort in einem festen Zustand. Im Mantel findet sich von KonvektionWärmefluss Ort, mit dem die Erde ihr Inneres hält Wärme verliert. Dieser Strom treibt die Plattentektonik in der darüber liegenden Kruste. Andere Orte, an denen heißes Material nach oben strömt, sind die sogenannten Hotspots. Die Mantelströmungen haben Geschwindigkeiten von wenigen Zentimetern pro Jahr.

Die Tatsache, dass sich sogenannte „Querschwingungen“ durch den Mantel bewegen, beweist, dass der Mantel fest ist. Es erscheint seltsam, dass im festen Material des Mantels "Strömungen" stattfinden. Allerdings sind Feststoffe bei hohen Temperaturen und Drücken flexibler als bei niedrigen Plastik Verhalten zeigen.

Der Mantel besteht aus ultramafisch Rock, das Peridotit wird genannt. Es wird angenommen, dass Peridotit normalerweise die Zusammensetzung von hat Lherzolith hast. Wo sich die Konvektionsströmung nach oben bewegt, bewegt sich der Lherzolith aufgrund des Druckverlustes teilweise schmelzen, bei welchem Kristallfraktionierung stattfinden. Die Schmelze kann eine mafische Zusammensetzung haben und unter Mittelozeanische RückenMagma-Reservoirs Formen. Der verbleibende Peridotit wird als "abgereichert" bezeichnet, dieses Gestein heißt Harzburgit.

Laut Plattentektonik an einigen Stellen (Subduktionszonen) Stücke ozeanischer Kruste in den Mantel. Dank an Tomographie Dieser Vorgang kann nun auch visualisiert werden. Es stellte sich heraus, dass die subduzierende (mafic) Platten auf geologischen Zeitskalen bis zur Obergrenze des Kerns, obwohl dies nicht immer mit Sicherheit geschieht. Sobald sie sich in der Hülle befinden, verunreinigen die Platten das Hüllenmaterial. Im Mantel, die gabbro und Basalt zu Ökologie. An der Spitze der abtauchenden Platte befinden sich Sedimente und viele flüchtig Komponenten wie Wasser oder Gase. Wenn dieses Material in die Tiefe gelangt, wird es teilweise schmelzen. Die Schmelze steigt direkt durch den darüber liegenden Mantel (die Mantelkeil durch, durch die Metasomatismus große Mengen an Mantelmaterial können verarbeitet werden.

Kernzusammensetzung

sehen Erdkern für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Nach etwa 2900 Kilometern (dem sogenannten Wiechert-Gutenberg-Diskontinuität) beginnt der eigentliche innerste Teil der Erde, auch Kern genannt. Dieser Kern besteht hauptsächlich aus Eisen, Nickel und einige andere Elemente und hat auch einen inneren und äußeren Kern. Der äußere Kern ist flüssig und etwa 2200 Kilometer dick und der innere Kern ist fest und etwa 1250 Kilometer dick. Da sich die Erde dreht, dreht sich der äußere Kern um den inneren Kern und das hat wiederum die Magnetismus der Erde. Dieser Magnetismus wird seit 900 Jahren von Seeleuten genutzt, um Kompass Finde deinen Weg auf der Erde. Es wirkt sich auch auf die elektrisch geladenen Teilchen außerhalb der Erdatmosphäre aus, bis zu mehr als 60.000 Kilometer ins All!

Bestimmung der durchschnittlichen Zusammensetzung

Wir kennen das Erdinnere nur indirekt. Kein Bohrloch reicht tiefer als einige Kilometer, und die wenigen Oberflächengesteine, von denen bekannt ist, dass sie aus den tiefsten Teilen der Kruste oder den oberen Teilen des Mantels stammen, werden oft stark beeinflusst von Metamorphose, Metasomatismus oder Verwitterung. Die genaue chemische Zusammensetzung von Mantel und Kern kann daher nicht direkt gemessen werden, sodass nicht alle Details bekannt sind. Um die Zusammensetzung dieser beiden Reservoirs zu bestimmen, werden eine Reihe von Annahmen getroffen.

Entstehung der Erde im Sonnennebel

Weitere Informationen zum Ursprung der Erde finden Sie im Artikel über die Sonnennebel.

Erstens wird angenommen, dass die Erde (und der Rest der Sonnensystem) wurde ausgelöst durch Zuwachs in dem Sonnennebel, eine flache Scheibe aus Gas und Staub. In den inneren Teilen des Sonnennebels war die Temperatur höher als in den äußeren Teilen, was zu Kondensation von Staub und Eis war erst ab einer gewissen Entfernung vom Inneren des Solaren Nebels möglich. Nach der Geburt des Sonne das ganze feine Gas wurde durch die Sonnenwind weggeblasen, so dass es heute in den innersten Teilen des Sonnensystems weniger verbreitet ist. Dies erklärt, warum die Gasplaneten relativ heller Verbindungen enthalten. Wenn diese Theorie wahr ist, wird die Erde im Durchschnitt die gleiche Zusammensetzung haben wie der Teil des Sonnennebels, aus dem sie entstanden ist.

Das Chondrit-Modell

sehen chondritische Erde und Chondriten für die wichtigsten Artikel zu diesem Thema.

Die Akkretion im Sonnennebel erzeugte größere Körper, sogenannte Planetesimale, gebildet. Diese waren nicht annähernd so groß wie echte Planeten, hatten aber eine Masse, die groß genug war, um Unterscheidung um sie in Schwung zu bringen: schwerere Elemente gesammelt im Massezentrum, leichtere an der Außenseite des Körpers. Es gab auch Material im Sonnennebel, das sich nicht bis zu dem Punkt ansammelte, an dem sich Planetesimale bildeten. Heute befindet sich der größte Teil dieses verbleibenden Materials an zwei Orten im Sonnensystem: im Asteroidengürtel jenseits der Umlaufbahn des Planeten Mars und in der Kuiper Gürtel jenseits der Umlaufbahn des Planeten Neptun. Manchmal speichert solche materiellen Materialien auf der Erde, damit es gefunden werden kann als Meteoriten, Weltraumfelsen.

Das Klassifizierung von Meteoriten zeigt, dass es viele Arten von Meteoriten gibt. Die wichtigsten Arten von Meteoriten sind:

Nur Chondrite haben keine Spuren von Metamorphose aufgrund hoher Temperaturen tun es andere Typen. Daraus lässt sich schließen, dass die anderen Meteoriten Bruchstücke von Planetesimalen sind, die bei gegenseitigen Kollisionen auseinandergebrochen sind, in denen eine Differenzierung stattgefunden hat. Die metallreichen Meteoriten sind Trümmer aus den inneren Teilen, die silikatreichen Meteoriten Trümmer aus den äußeren Teilen dieser Planetesimale. Die Chondrite sind die einzige Art von Meteoriten, die keine Differenzierung erfahren haben und daher die ursprüngliche chemische Zusammensetzung des Sonnennebels beibehalten. Sie haben daher die gleiche chemische Zusammensetzung wie die durchschnittliche Erde.

Dennoch waren Chondrite vor dem Aufprall auf die Erde häufig Verwitterungsprozesse im Weltraum. Es gibt auch viele verschiedene Arten von Chondriten. Es wird angenommen, dass sogenannte C1-Chondriten der ursprünglichen Zusammensetzung des Sonnennebels am nächsten kommen.

Ein weiteres Reservoir im Sonnensystem, von dem angenommen wird, dass es die gleiche elementare Zusammensetzung wie der Sonnennebel hat, ist das is Photosphäre von der Sonne. Durch Spektrometrie Diese Zusammensetzung wurde genau bestimmt und erscheint auf flüchtig Elemente nach, fast gleich denen von Chondriten. Diese Werte für die durchschnittliche chemische Zusammensetzung der Erde werden zum chondritisches Erdmodell erwähnt. Es wird angenommen, dass die flüchtigen Elemente hauptsächlich durch den Sonnenwind aus den innersten Teilen des Sonnensystems geblasen wurden, bevor die terrestrischen Planeten genug Masse hatten, um sie in großen Mengen einzufangen. Die Zusammensetzung, die der Sonnennebel vor diesem Fraktionierungsprozess hatte, wäre ungefähr gleich der aktuellen Photosphäre der Sonne gewesen CHURModell genannt.

Differenzierung nach der Entstehung der Erde

Bildung des Erdkerns

Nach und während der Akkretion der Erde fand im Planeten eine Differenzierung der Elemente statt. Elemente verhalten sich je nach ihrer Wertigkeit und Ionenradius. Je nach Affinität zu einer bestimmten Phase kann eine Reihe von Elementtypen unterschieden werden. siderophil Elemente gehen rein metallisch Phasen Sitzen, lithophil Elemente in Silikaten und chalkophil Elemente in Sulfide oder Oxide.

Der erste Differenzierungsprozess war die Bildung eines metallischen Kerns und einer silikatreichen Hülle, die später den Mantel und die Kruste bilden sollten (dieser Protomantel wird als . bezeichnet). Urmantel erwähnt). Die Bildung des Erdkerns oder seiner Vorläufer in Planetesimalen muss sehr früh stattgefunden haben. Wenn die Temperatur im Inneren der wachsenden Planetesimale hoch genug war, teilweise schmelzen von Metallen auftreten. Während dieses Schmelzens setzen sich die siderophilen Elemente in der schwereren metallischen Schmelze ab, während die lithophilen Elemente in der festen Phase verbleiben. Wenn also die Schmelzkörper groß genug werden, um durch die festen Silikate der Schale zu sinken, werden die siderophilen Elemente von den lithophilen getrennt.

Die Fraktionierung beim partiellen Schmelzen von Metallen reicht jedoch nicht aus, um die Unterschiede zwischen der Zusammensetzung des Kerns und des Urmantels zu erklären. Modelle mit hoher Fraktionierung Druck zeigen bereits bessere Werte, aber die Modelle stimmen immer noch nicht gut mit den beobachteten Zusammensetzungen von Kern und Urmantel überein. Daraus lässt sich schließen, dass die Keimbildung nicht in einer kontinuierlichen Phase, sondern in mehreren großen Fraktionierungsschritten verlief. Eine andere Hypothese ist, dass der Mantel kontinuierlich an siderophilen Elementen verarmt, da diese Elemente als Teilschmelzen in den Kern sinken.

Die Zusammensetzung des Urmantels ist reicher an siderophilen Elementen als erwartet. Dies wird durch die Annahme erklärt, dass nach der Bildung des Kerns Planetesimale weiter aufprallten. Das Material, aus dem sie gebaut wurden, vermischte sich mit dem Urmantel, was dazu führte, dass er mehr siderophile Elemente enthielt.

Der Große Einschlag und der Magma-Ozean

Warum und wie es zu einem Great Impact kam, wird im Artikel erklärt Theorie der großen Wirkung.

Aus verschiedenen Gründen wird angenommen, dass etwa 10 Millionen Jahre nach der Entstehung der Proto-Erde ein weiterer Planetesimal von der Größe des Planeten Mars mit der Erde kollidierte. Ein Großteil des Urmantels wurde in den Weltraum geworfen, einige würden sich wieder der Erde anschließen, während ein anderer Teil es tun würde Mond gebildet. Die Energie des Einschlags war groß genug, um den gesamten Erdmantel zu schmelzen, sodass die Erde kurz nach dem Einschlag einen flüssigen Mantel namens a . gehabt haben muss Magma-Ozean.

Es erweist sich jedoch als sehr schwierig, dies in der Zusammensetzung der Erde nachzuweisen. Heutzutage nur die oberer Mantel teilweise geschmolzen bedeutet ein Magmaozean, dass flüssiges Magma bis zu einer Tiefe von 2.900 km existierte. Das hatte zwei Konsequenzen: Ein komplett flüssiger Mantel muss viel schneller sein Konvektion haben, aber auch das Kristallisation von Mineralien könnte in viel größeren Tiefen stattfinden als heute. Das würde bedeuten, dass der heutige Mantel (alte) Kristalle enthalten muss, in denen Geobarometer weisen auf hohe Tiefen hin. Ein Beispiel für ein solches Geobarometer ist das Lutetium-Hafnium-Verhältnis. Antike Kristalle des Minerals Zirkon zeigen normalerweise keine größeren Tiefen an. Es wird daher angenommen, dass die Konvektion so stark gewesen sein muss, dass alle kristallisierten Mineralien wieder nach oben getragen und wieder geschmolzen wurden, sodass keine Fraktionierung im Magmaozean stattfinden konnte.

Entstehung der Atmosphäre

Es wird angenommen, dass die Erde vor dem Einschlag urzeitliche Atmosphäre die aus Gasen flüchtiger Elemente bestand. Diese Gase stammen von einschlagenden Meteoriten und Planetesimalen, aber auch von Ausgasungen aus der festen Erde. Letzteres geschieht durch metamorphe Reaktionen, bei denen beispielsweise Kohlendioxid, Wasser oder Methan veröffentlicht. Wäre aus dieser Uratmosphäre die heutige Atmosphäre entstanden, hätte sie in der CHUR die gleiche Gaszusammensetzung gehabt. Die Konzentration der IsotopXenon-129 in der gegenwärtigen Atmosphäre beträgt jedoch höchstens 1% dessen, was zu erwarten wäre. Xenon-129 ist es Tochterelement von Jod-129, ein sehr instabiles Isotop die nicht lange nach der Entstehung des Sonnensystems praktisch verschwunden sein müssen. Die Tatsache, dass die Erdatmosphäre weniger Xenon-129 enthält, weist darauf hin, dass es später gebildet wurde, also nie viel Jod-129 enthielt. Die Verarmung der Atmosphäre an Xenon-129 ist so stark, dass davon ausgegangen werden kann, dass die Uratmosphäre während des Großen Einschlags vollständig verschwunden ist.

Es gibt verschiedene Modelle, die gesamte Atmosphäre wegzublasen. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Gasteilchen durch die mechanische Beschleunigung durch den Aufprall in den Weltraum geschleudert wurden.[1] Modelle zeigen jedoch, dass dieser Weg, auf dem Gase entweichen können, nicht effizient funktioniert. Ein anderes Modell ist so genannte thermische Flucht. Heute können die beiden leichtesten Gase, Wasserstoff und Helium, Exosphäre der Schwerkraft der Erde entkommen und in den Weltraum reisen. Allerdings könnte ein Major Impact die Temperatur in der Exosphäre so stark erhöht haben, dass auch andere Gasmoleküle entweichen konnten. Ein drittes Modell ist hydrodynamisch entweichen, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit der Moleküle bei Kollisionen durch Diffusion verbreitet wird. Leichte Moleküle, die sich sehr schnell von der Erde wegbewegen (beschleunigt durch den Aufprall), haben möglicherweise schwerere so stark beschleunigt, dass sie der Schwerkraft entkommen konnten.

Siehe auch