Direkt zum Inhalt

Lexikon der Geowissenschaften: Schalenbau der Erde

Schalenbau der Erde, der Aufbau der Erde ist konzentrisch schalenförmig und wird deshalb in einzelne Geosphären untergliedert. Die äußerste Schale bildet die gasförmige Atmosphäre gefolgt von der Biosphäre und Hydrosphäre. Im Erdinneren setzt sich der Schalenbau fort und ist im Prinzip dreigeteilt, in Erdkruste (0–max. 70 km), Erdmantel (70–2898 km) und Erdkern (2898–6371 km) ( Abb. 1). Das Volumen der Erde beträgt 1,083·1021 m3. In Volumenprozent ausgedrückt hat der Mantel (inklusive Kruste) einen Anteil von 83,6 Vol.-%, der Kern von 16,3 Vol.-% des gesamten Volumens der Erde. Die gesamte Masse beträgt 5,973·1024 kg. Die Massenverteilung ist durch die unterschiedliche Dichte der vorherrschenden Phasen in den Schalen bedingt: Erdkern= 1,883·1024 kg (31,6 Gew.-%), Mantel=4,06·1024 kg (68,0 Gew.-%) und Kruste 2,6·1022 kg (0,4 Gew.-%).

Zusätzlich zu dieser traditionellen Einteilung lassen sich durch die moderne Seismologie weitere Unterteilungen finden. Diese sind vor allem durch unterschiedliche Geschwindigkeiten der P-Wellen und S-Wellen (Seismik) geprägt. Von ca. 70–250 km Tiefe werden die seismischen Wellengeschwindigkeiten reduziert, und deshalb wir diese Zone ›low velocity zone‹ (Niedriggeschwindigkeitszone) oder auch Asthenosphäre genannt. Die darüberliegenden starren Gesteinskomplexe werden Lithosphäre (Erdkruste plus nicht duktiler, starrer Teil des Erdmantels) bezeichnet. Man unterteilt die Erdkruste weiterhin in eine kontinentale Kruste, durchschnittlich 35 km mächtig, und eine ozeanische Kruste, durchschnittlich 8 km mächtig. Die Kruste (P-Wellen-Geschwindigkeiten von 6-7 km/s) wird durch die sog. Moho ( Mohorovi?i? -Diskontinuität) vom Erdmantel (P-Wellen-Geschwindigkeiten von ca. 8 km/s) getrennt. Zwischen 400 und 1000 km Tiefe (sog. ›transition zone‹) treten zwei weitere seismische Diskontinuitäten auf: eine bei 400 km, die auf einer Phasentransformation des Olivins in eine Spinellstruktur begründet ist, und eine bei 670 km Tiefe, die auf eine Strukturänderung der meisten Silicate zu einer Perowskitstruktur bestimmt wird. Der ganze Bereich zwischen ca. 70 km und ca. 670 km Tiefe wird oberer Erdmantel genannt. Der untere Erdmantel erstreckt sich von ca. 670 km bis 2898 km Tiefe. An der Grenze unterer Mantel/äußerer Kern kommt es zu einer drastischen Reduzierung der P-Wellen-Geschwindigkeiten aufgrund des flüssigen Zustandes des äußeren Kerns, der bis zu einer Tiefe von 5145 km reicht. Daran schließt sich der feste innere Erdkern bis zum Mittelpunkt der Erde (6371 km) an.

Der Grund für die Entstehung des schalenförmigen Aufbaus der Erde ist bei der Entwicklung des Planeten Erde (Akkretion, Differentiation) zu finden. Es gibt im Prinzip zwei Modelle zur Entstehung der Erde. Beim homogenen Akkretionsmodell ist vor ca. 4,46 Mrd. Jahren eine gravitative Trennung durch Differentiation von Erdkern und Erdmantel erfolgt. Beim heterogenen Akkretionsmodell ist zuerst der siderophile Erdkern (geochemischer Charakter der Elemente) und später der silicatische Erdmantel entstanden. Das homogene Akkretionsmodell wird heute von vielen Wissenschaftlern favorisiert. Bei beiden Modellen entstand im Anschluß daran durch Differentiation aus dem Erdmantel die Erdkruste (mindestens 3,9 Mrd. Jahre alt), die im Laufe der geologischen Entwicklung Veränderungen unterlegen war. Etwa zur gleichen Zeit entstanden die Vorstufen der heutigen Hydrosphäre und Atmosphäre, die aber unterschiedlich von den jetzigen chemischen Zusammensetzungen sind (Atmosphäre).

Die chemische Zusammensetzung der einzelnen Schalen (chemische Zusammensetzung der Erde) ist sehr heterogen. Die acht häufigsten Elemente der gesamten Erde sind in Abb. 2 dargestellt. Zusammen machen diese acht Elemente mehr als 99% der Masse der Erde aus. Ca. 90% der Erde sind aus den vier Elementen Eisen, Sauerstoff, Silicium und Magnesium aufgebaut.

Der Erdkern besteht dabei hauptsächlich ( > 90%) aus einer Eisen-Nickel-Legierung. Die restlichen Elemente sind wahrscheinlich Schwefel und/oder andere leichte Elemente. Der Kern entstand durch Schmelzbildung und Differentiation in der Anfangsphase des Planeten Erde. Da Eisen eine größere Dichte hat als die anderen drei häufigsten Elemente der Erde (Sauerstoff, Silicium, Magnesium), fraktionierte der größte Teil des Eisens als Schmelze in dem Kern. Die Schmelzkurve von Eisen bei Drucken von mehreren 100 GPa ist heute noch nicht genau bekannt und deshalb Gegenstand der Forschung. An der Kern-Mantel-Grenze sind anhand von Experimenten bei hohen Drucken Temperaturen von 3700-4500ºC gefordert worden, an der Grenze innerer/äußerer Kern Temperaturen von 4600-6100ºC. Im inneren Kern ist der Druck so groß, daß auch die dort herrschenden Temperaturen von mindestens 4600ºC nicht mehr ausreichen, um die Eisen-Nickel-Legierung im schmelzflüssigen Zustand zu halten. Die großen Unsicherheiten in der Temperaturbestimmung sind in der schwierigen Messung von solchen hohen Temperaturen zu suchen. Erzeugt werden diese Temperaturen in Experimenten von einem Laser, gleichzeitig werden die hohen Drucke von bis zu 200 GPa in einer sog. Diamantstempel-Zelle erzeugt.

Der obere Erdmantel stellt nach den Modellvorstellungen den verarmten Teil des Mantels dar, aus dem die Erdkruste differenziert ist. Der untere Mantel stellt nach diesem Modell den nicht fraktionierten Anteil des Mantels dar. Die Zusammensetzung des Mantel ist silicatisch. Die Hauptphasen sind Mischkristalle der Phasen Olivin, Orthopyroxen, Klinopyroxen und dazu noch Spinell und Granat.

Die Erdkruste wird wie beschrieben in eine ozeanische Erdkruste und eine kontinentale Kruste unterteilt. Die ozeanische Kruste wird kontinuierlich an den ozeanischen Rücken gebildet und ist das Produkt einer partiellen Schmelze des peridotitischen oberen Mantels. An den Subduktionszonen der Plattenrändern wird die ozeanische Kruste unter eine kontinentale oder eine ozeanische Kruste subduziert und damit wieder verbraucht. Die Lebensdauer dieser Kruste liegt bei ca. 200 Mio. Jahren. Die Zusammensetzung ist einheitlich von basaltischem tholeiitischen Chemismus. Die kontinentale Kruste kann in einen oberen und eine unteren Krustenabschnitt gegliedert werden. Die untere Erdkruste ist aus granulitfaziellen Gesteinen (Granulitfazies) aufgebaut, während die obere hauptsächlich aus granitischen Gesteinen besteht. [TK]

Literatur: [1] Turcotte, D.L., Schubert, G. (1982): Geodynamics. – John Wiley & Sons. [2] Siever, R. (1985): Earth. – New York. [3] Philpots, A.R. (1990): Principles of igneous and metamorphic Petrology. – Princeton University press. [4] Lowrie, W. (1997): Fundamentals of Geophysics. – Cambridge University Press.


Schalenbau der Erde 1: der Schalenbau der Erde mit Angaben zur Tiefe, Druck, Temperatur und seismischen Wellengeschwindigkeiten. Schalenbau der Erde 1:

Schalenbau der Erde 2: durchschnittliche chemische Zusammensetzung des Erdkerns, des Erdmantels und der Erdkruste. Schalenbau der Erde 2:
  • Die Autoren
Redaktion

Landscape GmbH
Dipl.-Geogr. Christiane Martin
Nicole Bischof
Dipl.-Geol. Manfred Eiblmaier

Fachberater

Allgemeine Geologie
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin

Angewandte Geologie
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe

Bodenkunde
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden

Geochemie
Prof. Dr. W. Altermann, München

Geodäsie
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn

Geomorphologie
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main

Geophysik
Prof. Dr. P. Giese, Berlin

Historische Geologie
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln

Hydrologie
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz

Kartographie
Prof. Dr. W.G. Koch, Dresden

Klimatologie
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main

Kristallographie
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe

Landschaftsökologie
Dr. D. Schaub, Aarau, Schweiz

Meteorologie
Prof. Dr. G. Groß, Hannover

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg

Petrologie
Dr. R. Hollerbach, Köln

Autoren

Allgemeine Geologie
Dipl.-Geol. D. Adelmann, Berlin
Dr. Ch. Breitkreuz, Berlin
Prof. Dr. M. Durand Delga, Avon, Frankreich
Dipl.-Geol. K. Fiedler, Berlin
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin
Dr. W. Jaritz, Burgwedel
Prof. Dr. H. Kallenbach, Berlin
Dr. J. Kley, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Lemoine, Marli-le-Roi, Frankreich
Prof. Dr. J. Liedholz, Berlin
Prof. Dr. B. Meißner, Berlin
Dr. D. Mertmann, Berlin
Dipl.-Geol. J. Müller, Berlin
Prof. Dr. C.-D. Reuther, Hamburg
Prof. Dr. K.-J. Reutter, Berlin
Dr. E. Scheuber, Berlin
Prof. Dr. E. Wallbrecher, Graz
Dr. Gernold Zulauf, Frankfurt

Angewandte Geologie
Dr. A. Bohleber, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Breh, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Czurda, Karlsruhe
Dr. M. Eiswirth, Karlsruhe
Dipl.-Geol. T. Fauser, Karlsruhe
Prof. Dr.-Ing. E. Fecker, Karlsruhe
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Kassebeer, Karlsruhe
Dipl.-Geol. A. Kienzle, Karlsruhe
Dipl.-Geol. B. Krauthausen, Berg / Pfalz
Dipl.-Geol. T. Liesch, Karlsruhe
R. Ohlenbusch, Karlsruhe
Dr. K. E. Roehl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. S. Rogge, Karlsruhe
Dr. J. Rohn, Karlsruhe
Dipl.-Geol. E. Ruckert, Karlsruhe
Dr. C. Schnatmeyer, Trier
Dipl.-Geol. N. Umlauf, Karlsruhe
Dr. A. Wefer-Roehl, Karlsruhe
K. Witthüser, Karlsruhe
Dipl.-Geol. R. Zorn, Karlsruhe

Bodenkunde
Dr. J. Augustin, Müncheberg
Dr. A. Behrendt, Müncheberg
Dipl.-Ing. agr. U. Behrendt, Müncheberg
Prof. Dr. Dr. H.-P. Blume, Kiel
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam
Dr. C. Dalchow, Müncheberg
Dr. D. Deumlich, Müncheberg
Dipl.-Geoök. M. Dotterweich, Potsdam
Dr. R. Ellerbrock, Müncheberg
Prof. Dr. M. Frielinghaus, Müncheberg
Dr. R. Funk, Müncheberg
Dipl.-Ing. K. Geldmacher, Potsdam
Dr. H. Gerke, Müncheberg
Dr. K. Helming, Müncheberg
Dr. W. Hierold, Müncheberg
Dr. A. Höhn, Müncheberg
Dr. M. Joschko, Müncheberg
Dr. K.-Ch. Kersebaum
Dr. S. Koszinski, Müncheberg
Dr. P. Lentzsch, Müncheberg
Dr. L. Müller, Müncheberg
Dr. M. Müller, Müncheberg
Dr. T. Müller, Müncheberg
Dr. B. Münzenberger, Müncheberg
Dr. H.-P. Pior, Müncheberg
Dr. H. Rogasik, Müncheberg
Dr. U. Schindler, Müncheberg
Dipl.-Geoök. G. Schmittchen, Potsdam
Dr. W. Seyfarth, Müncheberg
Dr. M. Tauschke, Müncheberg
Dr. A. Ulrich, Müncheberg
Dr. O. Wendroth, Müncheberg
Dr. St. Wirth, Müncheberg

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Prof. Dr. E. Csaplovics, Dresden
Prof. Dr. C. Gläßer, Halle
Dr. G. Meinel, Dresden
Dr. M. Netzband, Dresden
Prof. Dr. H. Will, Halle

Geochemie
Prof. Dr. A. Altenbach, München
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. St. Becker, Wiesbaden
Dr. A. Hehn-Wohnlich, Ottobrunn
P.D. Dr. St. Höltzl, München
Dr. M. Kölbl-Ebert, München
Dr. Th. Kunzmann, München
Prof. Dr. W. Loske, München
Dipl.-Geol. A. Murr, München
Dr. T. Rüde, München

Geodäsie
Dr.-Ing. G. Boedecker, München
Dr. W. Bosch, München
Dr. E. Buschmann, Potsdam
Prof. Dr. H. Drewes, München
Dr. D. Egger, München
Prof. Dr. B. Heck, Karlsruhe
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn
Dr. J. Müller, München
Dr. A. Nothnagel, Bonn
Prof. Dr. D. Reinhard, Dresden
Dr. Mirko Scheinert, Dresden
Dr. W. Schlüter, Wetzell
Dr. H. Schuh, München
Prof. Dr. G. Seeber, Hannover
Prof. Dr. M. H. Soffel, Dresden

Geomorphologie
Dipl. Geogr. K.D. Albert, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. P. Houben, Frankfurt / Main
Dr. K.-M. Moldenhauer, Frankfurt / Main
Dr. P. Müller-Haude, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. S. Nolte, Frankfurt / Main
Dr. H. Riedel, Wetter
Dr. J. B. Ries, Frankfurt / Main

Geophysik
Dr. G. Bock, Potsdam
Dr. H. Brasse, Berlin
Prof. Dr. P. Giese, Berlin
Prof. Dr. V. Haak, Potsdam
Prof. Dr. E. Hurtig, Potsdam
Prof. Dr. R. Meißner, Kiel
Prof. Dr. K. Millahn, Leoben, Österreich
Dr. F. R. Schilling, Potsdam
Prof. Dr. H. C. Soffel, München
Dr. W. Webers, Potsdam
Prof. Dr. J. Wohlenberg, Aachen

Geowissenschaft
Prof. Dr. J. Negendank, Potsdam

Historische Geologie / Paläontologie
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. R. Becker-Haumann, Köln
Dr. R. Below, Köln
Dr. M. Bernecker, Erlangen
Dr. M. Bertling, Münster
Prof. Dr. W. Boenigk, Köln
Dr. A. Clausing, Halle
Dr. M. Grigo, Köln
Dr. K. Grimm, Mainz
Prof. Dr. Gursky, Clausthal-Zellerfeld
Dipl.-Geol. E. Haaß, Köln
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln
Dr. I. Hinz-Schallreuther, Berlin
Dr. D. Kalthoff, Bonn
Prof. Dr. W. von Königswald, Bonn
Dr. habil R. Kohring, Berlin
E. Minwegen, Köln
Dr. F. Neuweiler, Göttingen
Dr. S. Noé, Köln
Dr. S Nöth, Köln
Prof. Dr. K. Oekentorp, Münster
Dr. S. Pohler, Köln
Dr. B. Reicherbacher, Karlsruhe
Dr. H. Tragelehn, Köln
Dr. S. Voigt, Köln
Dr. H. Wopfner, Köln

Hydrologie
Dr. H. Bergmann, Koblenz
Prof. Dr. K. Hofius, Boppard
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz
Dr. E. Wildenhahn, Vallendar
Dr. M. Wunderlich, Brey

Kartographie
Prof. Dr. J. Bollmann, Trier
Dipl. Geogr. T. Bräuninger, Trier
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Dr. G. Buziek, Hannover
Prof. Dr. W. Denk, Karlsruhe
Dr. D. Dransch, Berlin
Dipl. Geogr. H. Faby, Trier
Dr. K. Großer, Leipzig
Dipl. Geogr. F. Heidmann, Trier
Prof. Dr. K.-H. Klein, Wuppertal
Prof. Dr. W. Koch, Dresden
Prof. Dr. S. Meier, Dresden
Dipl. Geogr. A. Müller, Trier
Prof. Dr. J. Neumann, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Regensburger, Dresden
Dipl.-Ing. Ch. Rülke, Dresden
Dr. W. Stams, Dresden
Prof. Dr. K.-G. Steinert, Dresden
Dr. P. Tainz, Trier
Dr. A.-D. Uthe, Berlin
Dipl. Geogr. W. Weber, Trier
Prof. Dr. I. Wilfert, Dresden
Dipl.-Ing. D. Wolff, Wuppertal

Kristallographie
Dr. K. Eichhorn, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe
Prof. Dr. W. E. Klee, Karlsruhe
Dr. G. Müller-Vogt, Karlsruhe
Dr. E. Weckert, Karlsruhe
Prof. Dr. H.W. Zimmermann, Erlangen

Lagerstättenkunde
Dr. W. Hirdes, D-53113 Bonn
Prof. Dr. H. Flick, Marktoberdorf
Dr. T. Kirnbauer, Wiesbaden
Prof. Dr. W. Proschaska, Leoben, Österreich
Prof. Dr. E. F. Stumpfl, Leoben, Österreich
Prof. Dr. Thalhammer, Leoben, Österreich

Landschaftsökologie
Dipl. Geogr. St. Meier-Zielinski, Basel, Schweiz
Dipl. Geogr. S. Rolli, Basel, Schweiz
Dr. D. Rüetschi, Basel, Schweiz
Dr. D. Schaub, Frick, Schweiz
Dipl. Geogr. M. Schmid, Basel, Schweiz

Meteorologie und Klimatologie
Dipl. Met. K. Balzer, Potsdam
Dipl.-Met. W. Benesch, Offenbach
Prof. Dr. D. Etling, Hannover
Dr. U. Finke, Hannover
Prof. Dr. H. Fischer, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Geb, Berlin
Prof. Dr. G. Groß, Hannover
Prof. Dr. Th. Hauf, Hannover
Dr. habil. D. Heimann,
Oberpfaffenhofen / Weßling
Dr. C. Lüdecke, München
Dipl. Met. H. Neumeister, Potsdam
Prof. Dr. H. Quenzel, München
Prof. Dr. U. Schmidt, Frankfurt / Main
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Wehry, Berlin

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. W. Alpers, Hamburg
Dr. H. Eicken, Fairbanks, Alaska, USA
Dr. H.-H. Essen, Hamburg
Dr. E. Fahrbach, Bremerhaven
Dr. K. Kremling, Kiel
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg
Dr. Th. Pohlmann, Hamburg
Prof. Dr. W. Zahel, Hamburg

Petrologie
Dr. T. Gayk, Köln
Dr. R. Hollerbach, Köln
Dr. R. Kleinschrodt, Köln
Dr. R. Klemd, Bremen
Dr. M. Schliestedt, Hannover
Prof. Dr. H.-G. Stosch, Karlsruhe

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte

Bitte erlauben Sie Javascript, um die volle Funktionalität von Spektrum.de zu erhalten.