Flutbasaltische Eruptionen und Naturkatastrophen in der Geschichte

der Erde

• Massenaussterben in geologischen Zeiten• Flutbasalten und Mantelplums• Impakt-Phänomene• Periodische extraterrestrische Ursachen

Bagdassarov N.Institut für Meteorologie und Geophysik,

Universität Frankfurt am Main

Natura non facit saltum ?

Was ist Massenaussterben und Hintergrundaussterben ?

Hintergrundextinction: Während Hintergrund-Zeiten ist die Wahrscheinlichkeit für ein Taxon, in einem gewissen Zeitintervall innerhalb seiner phylogenetisch höher stehenden Gruppe (subclade within its clade) auszusterben konstant, egal, wie lange sie schon existiert. Massenextinction: Im Gegensatz zu Hintergrund-Extinktionen haben Massenextinktionen globales Ausmass, betreffen ein breites Spektrum von Organismen und vollziehen sich relativ schnell verglichen mit der Lebensdauer der Taxa, welche aussterben.

Magnitude eines MassenaussterbensM=ln(R/R0), wobei R0 ist die Hintergrundaussterbensrate, R ist die beschleunigte Aussterbensrate[Hsü, 1989]

* Von den Milliarden Tier- und Pflanzenarten, die einmal auf der Erde gelebt haben, hat kaum eine die gesamte Erdgeschichte hindurch überlebt. 99,9 Prozent aller Arten sind ausgestorben. Die Überlebensrate liegt bei nur 0,1 Prozent.

Die fünf großen, relativ gesicherten Massensterbens-Episoden mit ihren Auswirkungen im Überblick:1. Am Ende des Ordovizium (vor 438 Mio. Jahren): Gattungen 61%, Arten 85%2. Am Ende des Devon (vor 360 Mio. Jahren): Familien 21%, Gattungen 55%, Arten 82%3. Am Ende des Perm (vor 245 Mio. Jahren): Familien 57%, Gattungen 84%, Arten 96%!!!

4. Am Ende des Trias (vor 208 Mio. Jahren): Tetrapoden-Familien 27%5. Am Ende der Kreide (vor 65 Mio. Jahren): Familien 21%, Gattungen 55%, Arten 82%

[Sepkoski, 1994]

Eustasie:

7 aus 14

Flutbasalten:

10 aus 10

Impakten:

1 aus 17

[Rampino&Caldeira, 1993]

Letzte war vor 9 Myr

[W.Alvarez&Muller, 1984]

28.4 Myrletzte ist vor 13 Myr

Zeit in Myr

Känozoikum

(65 MJ bis heute)

Quartär (1.8 MJ bis heute)

Holozän (11,000 Jahre bis

heute)

Pleistozän (1.8 MJ - 11,000

Jahre)

Tertiär (65 - 1.8 MJ)

Pliocän (5 - 1.8 MJ)

Miozän (23 - 5 MJ)

Oligozän (38 - 23 MJ)

Eozän (54 - 38 MJ)

Paläozän (65 - 54 MJ)

Mesozoikum

(245 - 65 MJ)

Kreide (146 - 65 MJ)

Jura (208 - 146 MJ)

Trias (245 - 208 MJ)

Phanerozoikum

(544 MJ bis heute)

MJ = Millionen Jahre

Paläozoikum

(544 - 245 MJ)

Perm (286 - 245 MJ)

Carbon (360 - 286 MJ)

Devon (410 - 360 MJ)

Silur (440 - 410 MJ)

Ordovicium (505 - 440 MJ)

Kambrium (544 - 505 MJ)

Proterozoikum

(2500 - 544 MJ)

Archaikum

(3800 - 2500 MJ)

Präkambrium

(4,500 - 544 MJ)

Hadean

(4500 - 3800 MJ)Periodizität und Phase der Massenaussterben

Die jährlich ausgetretenen Magmamengen des CRB werden zwischen 0,1 und 2 km3 geschätzt, das entspricht Raten von 3 bis 60 m3 pro Sekunde. Hierbei handelt es sich allerdings um einen Durchschnittswert; der Vulkanismus verlief nicht kontinuierlich. Vielmehr wurden episodisch gewaltige Mengen an Lava gefördert.

Hangneigung ~ 0,5°

Kühlrate ~ 0,02-0,05°C/km

Lavastromlänge > 100 km

Der Columbia River Basalt

Was ist Flutbasalt?

Flutbasalten und Mantelplums

?,C,O

Phasen-grenze mit negativen dP/dT Neigung

Superplumes ~ 0.4-0.6 Gyrlithosphärische Plattenlavinen (Peltier et al. 1997)0.8-1.7 Gya 1-2 stockige Konvektionszyklen(Davies, 1995)

Table 1: Flood Basalt Provinces of the last 250 MyrsProvince Age (Myr) Volume (106 km3) Paleolatitude Duration (Myr)

Columbia River 16 ± 1 0.25 45oN ~ 1 (for 90%)

Ethiopia 31 ± 1 ~ 1.0 10oN ~ 1

North Atlantic 57 ± 1 >1.0 65oN ~ 1

Deccan 66 ± 1 >2.0 20oS ~ 1

Madagascar 88 ± 1 ? 45oS ~ 6?

Rajmahal 116 ± 1 ? 50oS ~ 2

Serra Geral/

Etendeka

132 ± 1 >1.0 40oS ~ 1 or ~ 5?

Rajmahal 116±1 ? 50oS ~2

Newark 201±1 >1.0? 30oN ~0.6

Karoo 183±1 >2.0 45oS 0.5 - 1

Siberian 249 ± 1 >2.0 45oN? ~1

Antarctica 176±1 >0.5 50-6oS ~1?

Magmaförderungsrate ~ 0.25-1 km³/y

[Ebinger & Sleep, 1998]

[White&MacKenzie, 1989]

[Cordery et al., 1997]

[Farnetani&Richards, 1994]

A. Breite (100-200 km) thermische Anomalie 100-200°C,dynamische Erhebung 1-2 km, Mantelmaterial ist depleted,Subsidence wegen Isostasie B. Temperatur in Plum muss 1600°C

C. Plummaterial muss 15% Eklogit enthalten

D. Plummaterial ist mit 0,5 % H2O

z. B. Columbia River

Fluß der Auftriebskraft b=g···r²·v

b>105 N/s

b<104 N/s

v r

Alter Flutbasalten und kontinentale Rände

+

+

?

+

-

?

[Courtillot et al., 1999]

Flutbasalten und Plattentektonik

[Shoemaker 1983]

Kumulative Häufigkeit kinetischer Energie der Impakten auf der Erde

Jede 3 x 107 Jahre

ein K/T-Impakt stattfindet

Geologische Merkmale eines Impaktes an der K/T-Grenze Hypothese von L. Alvarez

[Keller et al. 2003]

Drucklamelle in Schocked-Quarz Mikrotektiten

Moderne Ansichten an der K/T-Grenze: Multiple-Impakt + Dekkan Vulkanismus [Keller et al. 2003]

Atmosphärische Effekte nach einem Impaktes

Optische Dichte= - ln(I/I0)

[Wallace et al., 2003] (1988)

Kritische Belastung der Atmosphäre ist

10² km³/Jahr

V ~ 106 km³, Dauer ~ 106 Jahre: 1 km³/Jahr

Ekzentrizität ~0.7-0.9, Nemesis ist unsichtbarPerihelabstand ~ 10.000 AU Nemesis kommt jede 30 Myr durch Oortsche WolkeMasse ~0.5-7% Sonnenmasse, Nemesis ist braun oder schwarz Zwerg

Wann zwei Sterne sind im Aphelabstand

... und im Perihelabstand

Laufbahn des Nemesis, Zwillingsstern der Sonne

2. Sonnensystem stoßt periodisch mit GMW oder Planetesimalen in galaktischen spiralförmigen Arms. Bombardierungsrate auf dem Mond und anderen Planeten in der letzten 3 Gyr war konstant. Ohne Zufuhr von Kometten in Oort‘sche Wolke Mow~ 10 MErde . Aktuelle Einschlagsrate

entspricht einem Massezufuhr 40-80 Merde jede 108 Jahre.

M~

1. Streuung der Kometteh in Oort‘sche Wolke während der Exkursion von Nemesis: dN/dt= n(r)·d²·2u·(2q/r)Perihel q=a·(1-e) ~ 1 AU, Sonne-Nemesis Abstand r ~a·(1+0,5e²)~1,3x105 AUN~66 pro Jahr sind gestreut mit q~1 AUN ~ 5 x108 sind gestreut pro Revolution

d= r·(Mnemesis/Msonne)1/3 =8 x10³AU

Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoß mit der Erde:p~ (10 km/150 x 106 km)²x 5·108 ~ 2 x 10-6

~ 105 AE

SonneNemesis

Halbe Periode ca. 33 Mya

Geschwindigkeit des Sonnensystems im Galaktik ist 220 km/s. Zuletzt vor 70 Myr wurde Saggitarius-Carina-Arm passiert. Jetzt ist das Sonnensystem am Rand des Orion-Arms.

Sonnensystem

Gould‘sche Gürtel

240 Mya

60-70 pc

r~15kpc

Sonnenwind schützt die Erde vor noch stärkeren Teilchenschauern aus dem All. Das Versagen dieses Schildes könnte auf der Erde zu Massensterben führen.

Primäre kosmische Strahlung: 2%e- +87%p+12%He2

4

Sonnenwind

Energiedichte:~ 1eV/cm³

Besteht aus -Teilchen,e-, Ionen von He, Ne, N, C,... mit 400 km/s aus „helmet streamers“ und mit 800 km/s aus koronalen Lochen

Begründung der Katastrophenperiodizität: Kopplung zwischen extraterrestrischen Einschlägen, Mantelplums und Flutbasalten an der Oberfläche der Erde

Abbott and Isley (2002) haben die drei Hypothesen vorgeschlagen:1. Extraterrestrischer Einschlag kann Anriss- und Entspannungskräfte in der Erdkruste verursachen. Das wird den Schmelzen, die im oberen Mantel aufgrund von tektonischen Spannungen und nichtschmelzdurchlässigen Schichten in der Lithosphäre festsitzen, ermöglichen, einfachere Wege zur Erdoberfläche zu finden.2.Gewaltige extraterrestrische Einschläge können riesige Risse an der Erdoberfläche produzieren. Das wird die Entstehung neuer tektonischer Plattengrenzen und dementsprechender dünnerer Lithospäre bzw. längerer Schmelzsäulen unterstützen.3. Extraterrestrische Einschläge können einen Schwarm von “microdikes” an der Kern-Mantelgrenze initiieren. Wenn solche “dykes” sehr dünn sind, dann können sie zu einer intensiveren Mischung zwischen Kern und unterem Mantelmaterial führen, und die bereits vorhandenen Wärme, die zum Schmelzprozeß im Mantel führt, erhöhen. Dies führt zu einer schnelleren Intensivierung der existierenden Mantelplumes.

Das ImpaktbebenEin Impaktor mit 100 Milliarden Tonnen erzeugt eine 500 bis 2500 mal stärkere Bebenwirkung als einer mit einer Sprengkraft von 5 Tonnen TNT. Die Stärksten in diesem Jahrhundert gemessenen Beben zeigten auf der exponentiellen Richter-Skala eine Magnitude von 8,3. Der Endkreidekörper von Yukatan besaß eine Masse von 1 Billion Tonnen, was einem Ausschlag von 12,5 auf der Richter-Skala entsprach.

PKP2

PPP

PP

Impaktquelle

Antipode

Winkelabstand

[Jones et al., 2002]

D= 20 km

V= 10 km/s

Nach 40 sec

[Jones et al., 2002]

I-Plumes

Wegen Druckentlastung (adiabatische Dekompression)wird das Solidus der Mantelgesteinen überqueren. Das lässt bis 20% von Mantelgesteinen zu schmelzen.

Antipode Punkten von Impakten und Flutbasalten ?

[Rampino&Caldeira, 1992]: In <700 km Umgebung von dem Antipodenpunkt eines „hot-spot“ liegt ein „antipodal hot-spot“ (26-37%). 1. Symmetrische Entstehung Mantelplums.2. Schmelzprozesse wegen antipodische Fokussierung der seismischen Energie von extraterrestrischen Einschläge.

Caloris-Becken, Merkur

Die seismischen Wellen, die der Caloris-Einschlag hervorrief, schlugen bis auf die gegenüberliegende Seite des Planeten und verursachten eine Region mit chaotischem Terrain. Nach dem Einschlag füllte sich der Krater teilweise mit Lava.

Antipode-Seite

1300 km

D=10 km, V= 20km/s, übertragendes mechanisches Moment (0.01%) = 1015 N·m, mechanische Energie = 3·1019 J [Boslough et al., 1996]

Seismische Fokussierung

Wieviel Material wird zu T=100°C erhitzen? Cp~ 1 kJ/kg => V ~ 1 km³ (!!!). [Melosh, 1999]: Ein direktes Schmelzprozeß im antipoden Punkt ist ausgeschlossen.

[Buffet et al., 2000](Mgy,Fe1-y)SiO3+3(1-y)·Fe<=>y·MgSiO3+(1-y)·FeSi+3(1-y)·FeO

Chemische Grenze

Erschütterung der leichten Sedimenten von der KMG kann Störungen und Umkehrung der konvektiven Zellen im inneren Kern verursachen. Während dieser Zeit befindet sich das Magnetfeld in einer Umbauphase. Nach der Relaxationszeit folgt eine Ruhepause.

Zerstörung von der Konvektion im aüßeren Kern?

= m*V*R/Imantel

R

µ=10-2 Pa·sec~(2µt/)1/2=0.5 m(nach 24 St) Viskose Spannung=µ· v/=2·10-7PaExistierende v. Spannung=10-2 Pa·sec·10-4m·sec-1/ 10³m =10-9 Pa

P= ···R² ~1 Pa

[Muller, 2002]

(Mgy,Fe1-y)SiO3+3(1-y)·Fe<=>y·MgSiO3+(1-y)·FeSi+3(1-y)·FeO

D= 10 km, V= 25 km/s:=2·10-12 1/s, v~10-5 m/s

Natura non facit saltum?

Bombardierungsrate nimmt ab Bombardierungsrate ist konstant

Katastrophen ?

Zweistockige MK Wechselbar zwei- einstockige MK

Periodische Massensterbenin Biosphäre

Klimaänderung

Eustasie

Ungewöhnliches Schmelzprozeß

StochastischeextraterrestrischeUrsache

Periodische extraterrestrische Ursache

Flutbasaltenvulkanische Katastrophen

GeodynamischeUrsache:Mantelplums, Störungen an der Kern-Mantelgrenze

Schlußfolgerungen:1. Vorwiegende Periode des Massenaussterbens bzw. globalen Klimakatastrophen korreliert mit der Periodizität flutbasaltischer Eruptionen (99%). Periode ist 26 Myr und im Augenblick befinden wir uns 9 Myr nach dem letzten Massensterben. 2. Die Zeit von manchen Flutbasalten überlappt mit großen Impakten (Chixulub-Krater Dekkan-Trapp). Periodizität von grossen Impakten ist noch nicht gut bewiesen (~108 Jahre nur für K/T-Impakt). 3. Für extraterrestrische periodische Ursachen gibt es wenig Beweise (Nemesis-Rotation, Stoß mit Gigantische Molekülwolke, Schwankungen der Sonnensystemsposition in der Galaktik, Komettenschauer).4. Modellierung von Mantelplumes soll Mechanismen von intensiven Ausschmelzprozessen der Flutbasalten mit der Förderung ca. 0.25-1 km³/y in der kurzen Zeitspanne (< 1 Myr) darstellen.5. Periodische Ursachen der Entstehung von Mantelplums an der Kern-Mantel- und 660km-Grenzen müssen besser verstanden werden .6. Signifikante Störungen der konvektiven Zellen im äußeren Kern nach einem Impakt sind sehr unwahrscheinlich.