Innerer Aufbau der Erde

Grundmodell des Erdinneren

Der innere Aufbau der Erde wird vor allem von der Geophysik untersucht. Idealisiert besteht die Erde aus konzentrischen Kugelschalen mit deutlich unterschiedlichen Dichten. Die äußerste und leichteste Schale ist die Erdkruste, die dichteste Zone liegt im Zentrum und wird Erdkern genannt. Die Grenzflächen sind im Schwerefeld leicht abgeplattet.

Die unterschiedliche Dichte entspricht einer chemischen Differenzierung: Jede Schale besitzt eine charakteristische Zusammensetzung. Der Erdkern hat einen Radius von etwa 3450 km und besteht hauptsächlich aus Eisen und Nickel. Der daran anschließende Erdmantel ist 2900 km mächtig und besteht aus Silikaten und Oxiden mit hohem Eisen- und Magnesium-Anteil. Die etwa 5–70 km mächtige Kruste enthält ebenfalls vorwiegend Silikate und Oxide, aber weniger Eisen und Magnesium sowie mehr Aluminium und inkompatible Elemente. Mit Silikatkruste, Silikatmantel und Eisenkern ist die Erde der Prototyp der vier terrestrischen Planeten des inneren Sonnensystems.

Neben dem chemischen Modell gibt es ein rheologisches Modell, das die mechanischen Eigenschaften des Materials beschreibt. Es unterscheidet einen kristallinen inneren Kern mit einem Radius von 1230 km und einen dünnflüssigen äußeren Kern mit einer Mächtigkeit von 2200 km. Kruste und starrer äußerster Mantelbereich werden zur Lithosphäre zusammengefasst; darunter liegt ein zähfließender Mantel. Das chemische Modell beruht auf bekannten und indirekt erschlossenen Gesteinszusammensetzungen, das rheologische Modell vor allem auf seismologischen Daten.

Kern, Mantel und Kruste

Am Übergang vom Erdkern zum Mantel sinkt die Dichte materialbedingt von 10 auf 5 g/cm³. Der Kern entstand durch die frühe Aufschmelzung bei Kollisionen von Protoplaneten. Einige zehn Millionen Jahre später vereinigten sich bei der Kollision der Protoerde mit Theia die metallischen Kerne. Der Kern war zunächst vollständig flüssig; einige 100 Millionen Jahre später begann im Zentrum die Kristallisation von Eisen und Nickel. Ob dies vor oder nach dem Einsetzen der tiefen Mantelkonvektion geschah, ist unklar.

Der feste innere Erdkern reicht vom Erdmittelpunkt bis 5100 km unter die Erdoberfläche. Dort herrschen Drücke bis zu 3,64 Millionen Bar und vermutlich rund 6000 K. Der äußere Erdkern liegt zwischen etwa 2900 km und 5100 km Tiefe. Bei 3000 °C bis etwa 5000 °C ist er flüssig und besteht aus einer Nickel-Eisen-Schmelze (NiFe), möglicherweise mit geringen Anteilen an Schwefel oder Sauerstoff. Die elektrisch leitfähige, bewegliche Schmelze erzeugt im Zusammenwirken mit der Erdrotation das Erdmagnetfeld. Nach dem PREM-Modell besitzt der Kern eine Masse von 1,94 · 10²⁴ kg, also 32,5 % der Erdmasse, aber nur 16,2 % des Erdvolumens. Seine mittlere Dichte beträgt über 10 g/cm³; die mittlere Dichte der gesamten Erde liegt bei 5,52 g/cm³.

Oberhalb der Kern-Mantel-Grenze liegt die 200–300 km mächtige D″-Schicht mit starkem Temperaturgradienten. Von dort steigen Mantel-Plumes auf. Der untere Mantel reicht von 660 bis 2900 km Tiefe, ist etwa 2000 °C heiß und besteht hauptsächlich aus schweren Silikaten wie Bridgmanit (MgSiO₃ mit Perowskit-Struktur) sowie Metalloxiden wie Periklas und Wüstit, zusammen Magnesiowüstit genannt. Die Übergangszone liegt zwischen 410 und 660 km Tiefe. Ihre Grenzen entsprechen Mineral-Phasenübergängen des Olivins, die Dichte und seismische Geschwindigkeit verändern. Der obere Mantel reicht von 410 km Tiefe bis zur Kruste und besteht aus Peridotit mit Olivin, Pyroxen und einer Granat-Komponente. Der Mantel umfasst rund zwei Drittel der Erdmasse; seine mittlere Schalendichte liegt zwischen 3¼ und knapp 5 g/cm³.

Die Grenze zwischen Kruste und Mantel heißt Mohorovičić-Diskontinuität oder Moho. Sie wurde 1909 wegen eines Dichtesprungs von etwa 0,5 g/cm³ erkannt. An dieser Grenze werden Erdbebenwellen stark gebeugt oder zur Erdoberfläche reflektiert.

Die Erdkruste ist die äußerste chemische Schale und der obere Teil der Lithosphäre. Ozeanische Kruste ist grundsätzlich weniger als 10 km, durchschnittlich etwa 6 km, mächtig. Sie entsteht an mittelozeanischen Rücken: Basalt bildet sich am und nahe dem Meeresboden, Gabbro in größerer Krustentiefe. Durch die fortlaufende Neubildung wird sie mit zunehmender Entfernung vom Rücken älter; magnetische Polaritätswechsel machen dieses Muster großflächig sichtbar. Wegen der Subduktion ist ozeanische Kruste kaum irgendwo älter als 200 Millionen Jahre.

Kontinentale Kruste ist durchschnittlich etwa 35 km und unter Hochgebirgen bis zu 80 km mächtig. Sie umfasst Kontinente und Schelfe und gliedert sich in eine spröde Oberkruste und eine duktile Unterkruste. Ihr durchschnittlicher Mineralbestand ist granitisch, mit mehr Quarz und Alkalifeldspäten als in ozeanischer Kruste. Dadurch ist sie weniger dicht und kann nicht tief subduziert werden. Kontinente sind geologisch komplexer und durchschnittlich deutlich älter als Ozeanbecken. Sedimente in Seen und Meeren werden der Kruste zugerechnet. Die Gesteine durchlaufen einen ständigen Gesteinskreislauf; unveränderte Gesteine aus der ersten Krustenbildung gibt es heute nicht mehr. Die ältesten bekannten Krustengesteine haben ein Protolith-Alter von 4,03 Milliarden Jahren.

Rheologie und Mantelkonvektion

Die Asthenosphäre ist ein zähplastischer Bereich des oberen Mantels. Sie liegt abhängig von der Mächtigkeit der Lithosphäre etwa ab 60–150 km Tiefe und reicht bis ungefähr 210 km. Teilweise aufgeschmolzenes Gestein verursacht dort verringerte seismische Geschwindigkeiten und eine zähplastische Rheologie, also ein verformbares Fließverhalten.

Auf der Asthenosphäre bewegen sich die Lithosphärenplatten. Konvektionsströmungen im Erdmantel verschieben die Platten gegeneinander und führen zu tektonischen Vorgängen wie Kontinentaldrift und Erdbeben. Die Asthenosphäre ist deshalb ein wichtiger Bestandteil des Konzepts der Mantelkonvektion.

Methoden zur Erforschung

Direkte Untersuchungen reichen nur wenige Tausend Meter tief. Das Wissen über das Erdinnere beruht daher überwiegend auf indirekten geophysikalischen, geochemischen und mineralogischen Verfahren sowie auf Laborexperimenten und Vergleichen mit extraterrestrischen Körpern.

Die Seismologie zeichnet mechanische Wellen auf, die etwa durch Erdbeben oder Atomwaffentests entstehen. Ihre Laufzeiten, Reflexionen, Dämpfung und Streuung zeigen, dass sich die Energie in verschiedenen Schichten unterschiedlich schnell ausbreitet. Die Geschwindigkeiten hängen von den elastischen Eigenschaften des Gesteins ab. Markante Sprünge der Wellengeschwindigkeit und damit der seismischen Impedanz erzeugen reflektierte Phasen. Solche seismischen Diskontinuitäten können auf chemischen Veränderungen beruhen, in der Mantelübergangszone aber auch auf Phasentransformationen: Ein Mineral wird bei höherem Druck und/oder höherer Temperatur in ein anders strukturiertes, meist dichteres Mineral gleicher Zusammensetzung umgewandelt. Beno Gutenberg bestimmte 1912 die Grenze zwischen Mantel und Nickel-Eisen-Kern in 2900 km Tiefe; Andrija Mohorovičić entdeckte zuvor die Grenze zwischen Kruste und Mantel. Referenzmodelle wie PREM und IASP91 beschreiben unter anderem die Geschwindigkeiten von P- und S-Wellen.

Aus der mittleren Erddichte von 5,5 g/cm³ folgt, dass das Erdinnere wesentlich dichter als oberflächennahe Gesteine mit durchschnittlich 2,7 g/cm³ sein muss. Eisen besitzt etwa 8 g/cm³. Gravimetrie, also die genaue Messung des Schwerefeldes, und Lotmessungen zeigten, dass die Kruste unter hohen Gebirgen dicker und das darunterliegende Mantelmaterial dichter ist. Dieses Schwimm-Gleichgewicht heißt Isostasie: Große Gebirge tauchen ähnlich wie Eisberge umso tiefer in die Erde ein, je höher sie sind. Satellitengeodäsie kann entsprechende tiefere Dichteanomalien im Mantel erfassen. Die Messung der Erdgezeiten erlaubt Rückschlüsse auf die Elastizität des Erdkörpers, die durch Love’sche Zahlen beschrieben wird. Die Kruste hebt und senkt sich dabei zweimal täglich um bis zu 50 cm. Außerdem verlängert sich die Polbewegung von der Euler-Periode von 305 Tagen auf etwa 430 Tage, die Chandler-Periode.

Die tiefste Bohrung war die Kola-Bohrung in Russland mit 12,3 km. Sie erforschte die oberste kontinentale Kruste, die dort etwa 30 km mächtig ist. Die Kontinentale Tiefbohrung bei Windischeschenbach in der deutschen Oberpfalz erreichte 9,1 km; geplant waren 14 km. Bohrungen bleiben auf den oberen bis mittleren Krustenbereich beschränkt. In 14 km Tiefe betragen die Drücke etwa 400 MPa und die Temperaturen etwa 300 °C, was weitere Tiefbohrungen technisch erschwert.

Vulkanische Tätigkeit liefert Mantelmaterial aus unterschiedlichen Tiefen. Mantel-Plumes können Material aus der Grenzregion zwischen äußerem Kern und unterem Mantel nach oben transportieren. An mittelozeanischen Rücken steigt Mantel auf, schmilzt durch Druckentlastung und bildet neue ozeanische Kruste. Diese ist rund 8 km mächtig und versiegelt meist den Zugang zum ursprünglichen Mantelgestein. Am Gakkel-Rücken zwischen Grönland und Russland, dem mit weniger als 1 cm pro Jahr langsamsten spreizenden Rücken der Erde, könnte wegen des sehr langsamen Aufstiegs keine Schmelze und damit keine Kruste entstehen; Mantelgestein wäre dort möglicherweise direkt am Meeresboden zugänglich.

Meteoriten und Alter der Erde

Chondritische Meteoriten wurden seit der Entstehung des Sonnensystems kaum verändert. Daher wird angenommen, dass die chemische Gesamtzusammensetzung der Erde jener der Chondrite ähnelt, die vermutlich den Ausgangskörpern der Erde, den Planetesimalen, ähnlich waren. Eisenmeteoriten und Pallasite stammen wahrscheinlich aus dem Kern beziehungsweise dem Übergangsbereich zwischen Kern und Mantel differenzierter Asteroiden. Achondrite werden deren Mantel oder Kruste zugeordnet. Meteoriten ermöglichen somit Untersuchungen von Materialien, die im Erdinneren nicht direkt zugänglich sind.

In den 1950er Jahren bestimmten Clair Cameron Patterson und Friedrich Georg Houtermans mit der Uran-Blei-Datierung des Eisenmeteoriten Canyon Diablo das Alter der Erde auf 4,55 Milliarden Jahre. Andere Isotopensysteme, darunter ⁸⁷Rb-⁸⁷Sr und ¹⁴⁷Sm-¹⁴³Nd, bestätigten diesen Wert. Das älteste bekannte Material irdischen Ursprungs sind 4,4 Milliarden Jahre alte Zirkon-Kristalle aus den Jack Hills in Westaustralien. Dieses Alter gilt zugleich als gesichertes Mindestalter der Erdkruste.