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Die Geschwindigkeit seismischer Wellen hängt von der Dichte eines Gesteins ab. Die Geschwindigkeiten von akustischen Kompressionswellen, die bei Erdbeben oder künstlichen Sprengungen entstehen und durch die Erde wandern, nehmen mit der Tiefe zu, allerdings nicht gleichmäßig. Diese sprunghaften Dichteänderungen erlauben es, die Erde in drei Hauptschalen zu gliedern (Abb. 3.5):

• die Erdkruste, die dünne äußere Rinde der Erde, ist in den Kontinenten im Mittel etwa 30 km mächtig mit einer mittleren Dichte von 2,67 g/cm³. In den Ozeanbecken ist die im wesentlichen basaltische Kruste 5 – 7 km dick mit einer mittleren Dichte von 2,8 g/cm³;

• der darunter folgende Erdmantel besteht aus Fe- und Mg-reichen Silikaten, insbesondere Olivin, ist ungefähr 2870 km dick und besitzt eine mittlere Dichte von 4,6 g/cm³;

• der Kern, vermutlich aus Nickel/Eisen bestehend, hat einen Radius von 3480 km und eine mittlere Dichte von 10,6 g/cm³.

Abb 3.3: Schema der mineralogischen Zusammensetzung der Hauptgruppen magmatischer Gesteine.

Abb 3.4: Pahoehoe-Lava, die unter der Kruste eines schon erkalteten Lavastromes hervorbricht. Breite des ausströmenden Lavastromes 4 m. Pu‘u-‘O‘o-Eruption an der Ostflanke des Kilauea-Vulkans (Hawaii).

Wie sind diese Schalen unterschiedlicher Dichte entstanden? Man nimmt heute eine ursprüngliche Zusammenballung der Erde aus kalter kosmischer Materie („Staub“) vor ca. 4,6 Milliarden Jahren an. Diese Materie wurde durch Impakte und gravitative Energie – auch bei der Differentiation des Eisenkerns – aufgeschmolzen, so daß ein mehr oder weniger homogener Planet entstand. Im Schwerefeld dieser Massen entwickelte sich vermutlich durch Dichtetrennung der Schalenaufbau der Erde. Dieser Vorgang der partiellen Aufschmelzung war nicht nur in der Vergangenheit aktiv, sondern ist auch heute wirksam, wie die vielen Vulkaneruptionen beweisen, die jedes Jahr in den aktiven Vulkangebieten der Erde stattfinden. Da die Erde im Kern wesentlich heißer ist als der Mantel oder die Kruste, wandert die Wärme entlang thermischer Gradienten an die Erdoberfläche und wird dann in den Weltraum abgestrahlt. Allerdings verringert sich der geothermische Gradient von der Erdoberfläche ausgehend nach innen drastisch. Denn wenn der in der oberen Erdkruste gemessene Temperaturanstieg von ca. 3 °C/100 m bis zum Erdmittelpunkt konstant bliebe, würden im Erdkern unvorstellbar hohe Temperaturen von beinahe 200.000 °C herrschen, anstatt der angenommenen 4000 bis 5000 °C. Zum Vergleich: Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von ca. 5500 °C.

Abb 3.5: Verteilung von P- (rot) und S-Geschwindigkeiten (blau) von Erdbebenwellen und der Dichte (violett) in einem Erdquerschnitt (links) und Gliederung des oberen Erdmantels anhand der Scherwellengeschwindigkeit (rechts) (nach 238).

Abb 3.6: Sogenannte Olivinknolle aus den phreatomagmatischen Ablagerungen des Dreiser-Weiher-Maars (Westeifel). Die hellgrünen Kristalle sind Olivin, die dunkelgrünen Pyroxen und die schwarzen Chromspinell.