7 Kruste ozeanischer Magmatismus

MORB (Mid Ocean Ridge Basalt).
Geodynamik und Plattentektonik, 1995
Nach Experimenten bildet sich MORB durch
15-30% partielles Schmelzen des oberen Mantels.
Hiedurch entsteht olivintholeiitisches Magma, welches sich in
Magmenkammern sammelt.
Hier kommt es zur fraktionierten Kristallisation und es entsteht
Tholeiit, Quarz-Tholeiit.
Der Restit aus Olivin u. Pyroxen bildet Harzburgit.
O
Harzburgit (Olivin + Opx), v.a. in Ophiolithen, scheint im obersten
ozeanischen Mantel sehr weit verbreitet zu sein. Er ist Restit, der bei
der Extrahierung des obersten Mantels entsteht, wenn MORB (= Mid
Ocean Ridge Basalt) generiert wird.
NMORB ist gekennzeichnet durch:
• Abreicherung von LIL (large ion lithophile) Elementen
(K, Rb, Ba, Th, U etc.)
• geringe 87Sr/86 Sr und 206Pb/204 Pb-Verhältnisse
• hohe 143Nd/144Nd-Verhältnisse
Wir sprechen deshalb im Englischen von einer
‚depleted mantle source‘
Tieftauchboot Alvin, seit 1964 im Einsatz
ca. 8 m lang, taucht bis in Tiefen von 4000 m
Das Tieftauchschiff Alvin wurde bei Annäherung
an die überhitzten Wasseraustritte über dem
Ostpazifischen Rücken in 2650 m Tiefe fast
zerstört, da es für solch hohe Temperaturen nicht
ausgelegt war.
Niemand rechnete hier mit Temperaturen > 300°C.
Normalerweise beträgt die Temperatur am
Meeresboden nur wenige Grad über 0.
Tieftauchschiff
Johnson Sea Link
Black Smoker, 9°50' N im Bereich des Ostpazifischen Rückens,
besteht aus Sulfiden mit zahlreichen aktiven Schloten
(© Woods Hole Oceanographic Institution, Deep Submergence
Operations Group, Dan Fornari)
Black Smoker
Entlang der Ozeanischen Rücken finden wir hydrothermale
Schlote, aus denen bis zu 380° heißes Wasser austritt.
Da dieses Wasser sehr viel Sulfide enthält und somit
schwarz gefärbt ist, sprechen wir von Black Smoker.
Im Bereich der Galapagos Rift-Zone wurden die ersten
Black Smoker Ende der 1970er Jahre entdeckt.
Black Smoker ragen bis zu 10 m über den Ozeanboden.
Man findet sie bis in Tiefen von 3600 m
Sulfid-Strukturen mit zahlreichen rauchenden Schloten im Bereich des Juan de Fuca
Rückens bei 44°58' N & 130°14' W.
(Dr. Michael Perfit, University of Florida, and NOAA VENTS program)
Hydrothermale Schlote entstehen im
Bereich von Ozeanischen Rücken.
Meerwasser sickert entlang von Rissen
in den Meeresboden und wird durch die
heissen Gesteine des Untergrundes bis
auf T = 400°C aufgeheizt. Das
aufgeheizte Wasser ist leichter, steigt
nach oben und tritt durch die
hydrothermalen Schlote wieder aus.
Dieses hydrothermale Fluid enthält
reichlich gelöste Metalle und andere
Element, die im tiefen Untergrund aus
der ozeanischen Kruste gelöst wurden.
1. Kaltes Meerwasser (2°C) sinkt
entlang von Rissen in den Meeresboden
2. Das Wasser heizt sich im tiefen
Untergrund bis auf T = 350-400°C auf.
Im Zuge der Aufheizung reagiert das
Meerwasser mit der ozeanischen
Kruste. Hierbei kommt es zu folgenden
Prozessen:
Wasser wird saurer und reduzierend,
Metalle gehen in Lösung (u.a. Fe, Cu,
Zn).
H2S wird gelöst
3. Heisse Fluide sind leichter und deshalb geneigt,
nach oben zu steigen. Das aufsteigende Fluid nimmt
die gelösten Metalle und H2S mit nach oben.
4. Wenn das hydrothermale Fluid aus dem Schlot
austritt, kommt es in Kontakt mit kaltem Meerwasser.
Die gelösten Metalle und H2S reagieren und es
entstehen schwarze Metallsulfide. Sie verleihen dem
Fluid den rauchigen Charakter. Die Reaktionen werden
vor allem gefördert durch die niedrige Temperatur des
Meerwassers und durch die Anwesenheit von
Sauerstoff im Meerwasser.
In Weißen Rauchern vermischen sich die
hydrothermalen Fluide mit Meerwasser unterhalb der
Meeresoberfläche. Aus diesem Grunde entstehen hier
die dunklen Metallsulfide unterhalb des Meeresbodens
bevor das Fluid den Schlot verlässt.
Andere Verbindungen, einschließlich SiO2, bleiben im
Fluid. Sobald das Fluid den Schlot verlässt, wird SiO2
ausgefällt. Zudem bildet sich weißer Anhydrit. Beide
Minerale führen dazu, dass das Fluid, das den Weißen
Raucher verlässt, weiß gefärbt ist.
Wachstumsstadium 1
Heißes, Ca-reiches Fluid mischt sich
mit kaltem, sulfat- und Ca-reichem
Meerwasser. Es scheidet sich ein
Ring von Anhydrit (CaS04) ab.
Metallsulfide bilden sich und
verleihen dem austretenden Fluid die
dunkle Farbe.
Wachstumsstadium 2
Auf dem zuvor gebildeten Ring aus
Anhydrit scheidet sich Chalkopyrit ab
und kleidet so die gesamte innere
Wandung des Schlotes aus. Zudem
scheiden sich Zink-, Kupfer- und
Eisensulfide ab. Hierdurch wird der
Schlot immer reicher an Metallen.
Pyrit (Fe S2)
Kupferkies
(Cu Fe S2)
Zinkblende
(ZnS)
Querschnitt durch kleine Varietät eines Schwarzen Rauchers
der Ostpazifischen Schwelle
Ozeane und Kontinente, 1985
Ozeane und Kontinente, 1985
h
g
i
f
c
d
Meerwasser mit gelösten
Elementen
b)
Erste Raktionen beim Einsickern
in den Meeresboden
c)
Reaktion zwischen Meerwasser
und heißem Basalt
d)
Minerale wie Quarz, Magnetit
und Pyrit scheiden sich ab
e)
Aufgeheiztes Fluid ist leicht und
steigt wieder nach oben
f)
Durch die Abkühlung scheiden
sich Metallsulfide ab.
g)
Das heiße Fluid mischt sich mit
kaltem Meerwasser. Es
scheiden sich weitere
Metallsulfide und Anhydrit ab.
h)
Aus dem Schlot tritt das
Metallsulfiden beladene Fluid
aus
i)
Mit der Zeit oxidieren die mit
dem Fluid ausgetretenen
Metallsulfide und rieseln auf den
Meeresboden nieder, wo sie
metallhaltige Sedimentschichten
bilden.
g
a
b
a)
e
Ozeane und Kontinente, 1985
Movie Black smoker
Vent.mov
He-Isotope zeigen, dass Meerwasser tief in die basaltische
Kruste eindringt.
Helium kommt nur als 3He und 4He vor.
4He wird im Erdinnern durch rdioaktiven Zerfall der
langlebigen Isotope U und Th neu gebildet.
Bei Messungen über dem Ostpazifischen Rücken hat sich
ergeben, dass an der Meerwasseroberfläche das 3He/4HeVerhältnis dem der Atmosphäre entspricht. In größeren
Wassertiefen steigt das 3He/4He-Verhältnis bis auf das 8fache an, was für eine 3He-Quelle im Mantel spricht.
Hieraus lässt sich ableiten, dass der Wärmetransport aus
dem Mantel entlang der Ozeanischen Rücken ca. 2 * 1020
Joule beträgt.
Ozeane und Kontinente, 1985
Organismen können hier leben, da Schwefelbakterien
Energie durch die Oxydation von H2S gewinnen.
Bakterien nehmen auch O aus dem Meerwasser auf
(Sulfid + O Æ Sulfat).
Die dabei frei werdende Energie erhält den
Stoffwechsel der Schwefelbakterien aufrecht.
(CO2 + H2O Æ körpereigene Stoffe).
Die Schwefelbakterien stehen am Anfang der
Nahrungskette, da Photosynthese in der Dunkelheit
nicht möglich.
Die Bakterien können sehr hohe T vertragen.
Kocht das Wasser bei T = 350 °C ?
Siedepunkt von Meerwasser in
Abhängigkeit von der Wassertiefe
100 °C
Siedepunkt von Meerwasser in
Abhängigkeit von der Wassertiefe
100 °C
310 °C
Siedepunkt von Meerwasser in
Abhängigkeit von der Wassertiefe
100 °C
310 °C
370 °C
Siedepunkt von Meerwasser in
Abhängigkeit von der Wassertiefe
100 °C
310 °C
370 °C
410 °C
445 °C
480 °C
Black Smoker haben einen erheblichen Einfluß auf das
chemische Gleichgewicht der Ozeane.
Etwa alle 10 Mio. J. wird das gesamte Wasser der Ozeane
durch die Schwarzen Raucher gepumpt. Dabei werden
zahlreiche Elemente aus der ozeanischen Kruste
ausgewaschen und dem Meerwasser zugeführt.
Die Wassermenge, die in 1 Jahr durch den Ozeanboden
transportiert wird, entspricht etwa der Menge, die der
Amazonas in 1 Jahr ins Meer befördert
Wie gelangt das Ozeanwasser nach unten in den Basalt??
Basalt besteht meist aus Pillow-Laven
Pillow lava rocks on the slope off Hawaii
Pillow Lava, Marianen-Arc
The bluff is loaded with incredible pillow lava.
What’s pillow lava? Take Geology 10 or 20 for
details, but the simple answer is that they’re
volcanic lava flows that erupted under water.
These are part of the Franciscan assemblage
and date from the Jurassic or Cretaceous
period about 200 million years ago! We find
them all over the central coast.
Taucher untersucht elongierte Pillow
Lava (Kilauea, Hawai).
Movie Pillow Lava
Rotes Meer
Ozean in status nascenti
Atlantis II-Tiefe im Roten Meer, W' Mekka
axiales Becken
1700
Meerestiefe [m]
normales Meerwasser MnO2, Fe(OH)3
CaSO4
Fe''Fe'''Si8O20(OH)4 * n H2O
1900
spezif. schwere, heiße Sole
salzhaltiges
Gestein
Cu-Fe-Pb-Zn-Sulfide
2100
Cu-Fe-Pb-Zn-Sulfide
7 km
In der Atlantis II-Senke befindet sich die größte von einem Spreizungszentrum bekannte Erzlagerstätte:
ein geschichteter, polymetallischer Sulfidkörper, der mit einem Querschnitt von 7 km in 2000 m
Tiefe genau W‘ von Mekka entlang der Rückenachse liegt.
Erzgehalt: 29 % Fe, 2-5 % Zn, 0,3-0,9 % Cu, 60 ppm Ag, 0,5 ppm Au
Eine ähnliche Erzlagerstätte wie die des Roten Meeres, jedoch viel älter, finden
wir im Troodos-Ophiolith auf Zypern.
Das Wort Kupfer leitet sich vom griechischen Namen der Insel ‚Kypros‘ ab.
Cu-Quelle in dem zyprischen Ophiolith hat große Bedeutung schon seit
prähistorischer Zeit.
Der Troodos-Ophiolith repräsentiert kretazische ozeanische Kruste, die im Zuge
der Subduktion von der abtauchenden Platte abgeschabt wurde und an die
Deckelplatte angeheftet bzw. akkretioniert wurde. Wir nennen diesen Prozess
Obduktion.
Lediglich < 1 ‰ ozeanische Kruste werden obduziert.
Der Troodos-Ophiolith wurde im Zuge der Obduktion kaum deformiert.
Er enthält ca. 90 stratiforme, massive Cu-Fe-Sulfide, die in Pillow-Basalt
eingeschaltet sind. Es handelt sich um hydrothermale Bildungen im Bereich
von Black Smoker.
Der kretazische Troodos-Ophiolith gehört zu
einem Ophiolithgürtel, der sich erstreckt auf:
- die SE‘ Türkei,
- den S‘ Iran
- Oman
10 km
Golf von Oman
Samail-Ophiolith, Oman
Pillow-Basalte + Basalt-Dikes +
Gabbro + Peridotit
Landsat Infrarotaufnahme
Ozeane und Kontinente, 1985
Sheeted dikes aus dem 3,8 Ga
alten Isua-Komplex (Grönland).
Es handelt sich um den
ältesten Ophiolith
(Furnes et al., 2007).
Sheeted-Dike-Komplex
Gang
Gang
Gang
Gang
chilled margin (abgeschreckter Rand)
Ophiolithe bieten ausgezeichnete Studienobjekte, um obduzierte Ozeanische
Kruste an Land zu studieren
Ophiolith [altgr., Ophis = Schlange]
besteht v.a. aus basischen u. ultrabasischen Anteilen ozean. Kruste.
In Ophiolithen findet man häufig
Serpentinit [lat., Serpens = Schlange]
Serpentin = Mg6 (OH)8 [Si4 O10] (Chrysotil, Antigorit, Lizardit)
Serpentin galt im Mittelalter als Mittel gegen Schlangenbiss
Weiterhin findet man den mit Serpentin verwandten
Talk = Mg3 (OH)2 [Si4 O10]
Serpentin und Talk enstehen durch
Hydratisierung von Mg-reichem Olivin (Mg,Fe)2 [Si O4],
einem wesentlichen Bestandteil von Matelperidotit [frz. Olivin = Peridot]
In den Serpentiniten liegen somit alterierte und hydratisierte
(metamorphe) Mantelspäne vor.
Wenn diese Mantelspäne nicht hydratisiert sind, erkennt man, dass es
sich meist um Harzburgit (Olivin + Orthopyroxen) handelt
Schnitt durch die Ozeanische Kruste zeigt
Bestandteile eines Ophiolithkomplexes
Anatomie eines Ozeanischen Rückens
Tiefseesediment
(Kieselschiefer, rote
Tonsteine)
Pillow-Basalt
Sheeted Dikes
Gabbro
Ultrabasite,
geschichtet
Mantel
Abschiebung
Magmenkammer
Charakteristische lagige Gesteine (Gabbro, Ultrabasit und Trondhjemit (hell))
aus Magmenkammer unter Ozeanischem Rücken
Gustav Steinmann berichtete 1906, dass in den Peridotitmassiven der
alpinotypen Faltengebirge rund um das Mittelmeer folgende Assoziation von
Gesteinen auftritt:
1. Radiolarit (Tiefwassersediment)
2. basalt. Kissenlava
3. serpentinisierter Peridotit
zusammengenommen stellt dies die Steinmann-Trinität dar.
http://earth.s.kanazawa-u.ac.jp/ishiwata/ophiol_e.htm