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{{Zeitleiste Erdaufbau}}
Als '''Erdmantel''' wird die mittlere Schale im chemischen Modell vom [[Innerer Aufbau der Erde|inneren Aufbau des Erdkörpers]] bezeichnet. Sie liegt zwischen [[Erdkruste]] und [[Erdkern]] und ist bei einer durchschnittlichen [[Mächtigkeit (Geologie)|Mächtigkeit]] von 2.850 km (Tiefe der Mantel-Kern-Grenze: 2.898 km) die voluminöseste und massereichste dieser drei Schalen. Während die Kruste zu großen Teilen aus relativ aluminiumreichen Gesteinen [[granit]]ischer (kontinentale Oberkruste) und [[basalt]]ischer (ozeanische Kruste sowie kontinentale Unterkruste) Zusammensetzung besteht, ist das Material des Erdmantels aluminiumarm und dafür relativ eisen- und magnesiumreich. Das entsprechende [[Ultramafisches Gestein|ultramafische Gestein]] des Oberen Mantels wird als [[Peridotit]] bezeichnet. Der tiefere Mantel besteht aus Hochdruckäquivalenten des Peridotits. Der Großteil des Erdmantels ist, abgesehen von kleineren Regionen, in dem [[partielle Schmelze]]n vorkommen, [[Festkörper|fest]], verhält sich jedoch über geologische Zeiträume hinweg betrachtet [[Plastizität (Physik)|plastisch]].

== Entstehung ==
Eine Art Proto-Erdmantel bildete sich vermutlich bereits vor 4,45 Milliarden Jahren, indem die leicht flüchtigen Bestandteile wie [[Wasserstoff]], [[Kohlenstoff]] (in Form von [[Kohlendioxid]] und Methan), [[Stickstoff]] (einschließlich [[Ammoniak]] und [[Stickoxide]]n) und [[Edelgas]]e größtenteils in die Ur-Atmosphäre entgasten und die [[siderophil]]en Elemente größtenteils zum damals noch vollständig flüssigen [[Erdkern]] absanken.<ref>Claude Allègre, Gérard Manhès, Christa Göpel: ''The age of the Earth.'' Geochimica et Cosmochimica Acta. Bd. 59, Nr. 8, 1995, S. 1445–1456, [[doi:10.1016/0016-7037(95)00054-4]] (alternativer Volltextzugriff: [http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.452.1074&rep=rep1&type=pdf CiteSeerX]), S. 1454.</ref>

== Dimensionen und Temperaturen ==
Die [[Masse (Physik)|Masse]] des Erdmantels beträgt ca. 4,08 · 1024 [[Kilogramm|kg]] und damit rund 68 % der Gesamtmasse der Erde. Es herrschen Temperaturen zwischen mindestens mehreren 100 [[Grad Celsius|°C]] an der Mantelobergrenze und über 3500 °C an der Mantel-Kern-Grenze.

Obwohl diese Temperaturen insbesondere in tieferen Bereichen den [[Schmelzpunkt]] des Mantelmaterials bei atmosphärischen Bedingungen bei weitem übersteigen, besteht der Erdmantel fast ausschließlich aus festem Gestein. Der enorme [[Lithostatischer Druck|lithostatische Druck]] im Erdmantel verhindert die Bildung von Schmelzen.

== Chemische Zusammensetzung ==
=== Gesamtzusammensetzung ===
{| class="wikitable float-right" style="text-align: right"
|+ Zusammensetzung des Erdmantels in [[Massenanteil|Massenprozent]]
|-
! Element
! Anteil
! Verbindung
! Anteil
|-
! [[Sauerstoff|O]]
| 44,8{{0}}
! rowspan="2" | [[Siliciumdioxid|SiO2]]
| rowspan="2" | 46,0{{0}}
|-
! [[Silizium|Si]]
| 21,5{{0}}
|-
! [[Magnesium|Mg]]
| | 22,8{{0}}
! [[Magnesiumoxid|MgO]]
| | 37,8{{0}}
|-
! [[Eisen|Fe]]
| | 5,8{{0}}
! [[Eisen(II)-oxid|FeO]]
| | 7,5{{0}}
|-
! [[Aluminium|Al]]
| 2,2{{0}}
! [[Aluminiumoxid|Al2O3]]
| 4,2{{0}}
|-
! [[Calcium|Ca]]
| 2,3{{0}}
! [[Calciumoxid|CaO]]
| 3,2{{0}}
|-
! [[Natrium|Na]]
| 0,3{{0}}
! [[Natriumoxid|Na2O]]
| 0,4{{0}}
|-
! [[Kalium|K]]
| 0,03
! [[Kaliumoxid|K2O]]
| 0,04
|-
! Summe
| | 99,7{{0}}
! Summe
| 99,1{{0}}
|}

Das Gestein des Oberen Erdmantels besteht überwiegend aus [[Ultramafitit|ultramafischen Gesteinen]] (in erster Linie [[Peridotit]]e und [[Pyroxenit]]e). In diesen sind vor allem [[Olivin]] bzw. Hochdruckvarianten dieses Minerals, verschiedene [[Pyroxen]]e und andere [[mafische Minerale]] enthalten. Im Tiefenbereich zwischen 660 und etwa 800 km werden Temperatur- und Druckbedingungen erreicht, bei denen diese Minerale nicht mehr stabil sind und daher durch Phasentransformationen zu anderen Mineralen umgewandelt werden (siehe Abschnitt [[#Aufbau des Mantels und Phasenübergänge im Mantelgestein|Aufbau des Mantels und Phasenübergänge]]). Mantelgestein zeigt generell einen höheren Anteil an [[Eisen]] und [[Magnesium]] und einen geringeren Anteil an [[Silizium]] und [[Aluminium]]. Die Unterscheidung zwischen Erdkruste (''SiAl'' und ''SiMa'') und Erdmantel (''SiFeMa''<ref>[https://www.duden.de/rechtschreibung/Sifema SiFeMa] auf ''duden.de'', abgerufen am 21. Februar 2023</ref>) beruht im Wesentlichen auf dieser unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung. Als Ursache für diesen Unterschied gelten [[Magmatismus|magmatische Prozesse]]: Mantelgestein [[Anatexis|schmilzt partiell auf]], wobei sich vor allem die silizium- und aluminiumreichen Gesteinsbestandteile aufgrund ihres geringeren [[Schmelzpunkt]]es verflüssigen, als Magma aufsteigen und an oder relativ nahe der Oberfläche wieder erstarren. Über Jahrmilliarden hinweg haben sich so heutige Kruste und Mantel ausdifferenziert.

=== Mantelreservoire ===
Die chemische Zusammensetzung des Erdmantels ist dabei aber keineswegs homogen. Wahrscheinlich entstanden bereits bei der Entstehung des Erdmantels Heterogenitäten, sodass von geochemischen Erdmantelreservoirs gesprochen wird, wobei durch unterschiedliche plattentektonische Prozesse unterschiedliche Reservoirs angezapft werden. Die Definition und Interpretation dieser Reservoire ist teilweise stark umstritten:

* DM oder DMM (Depleted Mantle – überwiegend Quellreservoir für Mittelozeanischer-Rücken-Basalte (MORB)) – an [[inkompatibles Element|inkompatiblen Elementen]] verarmter Mantel<ref>https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/2003GC000597</ref>
* EM1 (Enriched Mantle 1) – vermutlich durch subduzierte [[ozeanische Erdkruste|ozeanische Kruste]] und pelagische Sedimente wieder angereicherter Mantel
* EM2 (Enriched Mantle 2) – vermutlich durch subduzierte obere [[kontinentale Erdkruste|kontinentale Kruste]] wieder angereicherter Mantel
* HIMU (high µ, gemeint ist ein hohes 238U/204Pb-Verhältnis) – vermutlich durch subduzierte ozeanische Kruste und [[Metasomatose|metasomatische Prozesse]] veränderter Mantel; eventuell spielt auch das Alter der subduzierten Kruste eine Rolle (unterschiedliche Definitionen vorhanden)
* FOZO (focal zone) – unterschiedliche Definitionen vorhanden
* PREMA (prevalent mantle reservoir) – das vorherrschende Mantelreservoir<ref>[[Gregor Markl]]: ''Minerale und Gesteine. Mineralogie – Petrologie – Geochemie.'' 2. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 2008, S. 573 f.</ref><ref>Stuart Ross Taylor, Scott M. McLennan: ''Planetary Crusts. Their Composition, Origin and Evolution.'' Cambridge University Press, 2010, S. 216 f.</ref><ref>{{Literatur |Autor=Andreas Stracke, Albrecht W. Hofmann, Stan R. Hart |Titel=FOZO, HIMU, and the rest of the mantle zoo |Sammelwerk=Geochemistry, Geophysics, Geosystems |Band=6 |Nummer=5 |Datum=2005 |DOI=10.1029/2004GC000824}}</ref>

[[Geothermometer|Olivin-Spinell-Kristallisationstemperaturen]] von 1600 °C, die für Proben von [[Kreide (Geologie)|kreidezeitlichen]], nunmehr an den pazifischen Kontinentalrand Zentralamerikas [[Akkretion (Geologie)|akkretierten]] Basalten des Galapagos-Hotspots ermittelt wurden, legen nahe, dass einzelne sehr heiße [[Archaikum|archaische]] Mantelreservoirs bis mindestens ins späte [[Mesozoikum]] überdauert haben und mit [[Plume (Geologie)|Plumes]] in den oberen Erdmantel gelangt sind.<ref>{{Literatur |Autor=Jarek Trela, Esteban Gazel, Alexander V. Sobolev, Lowell Moore, Michael Bizimis |Titel=The hottest lavas of the Phanerozoic and the survival of deep Archaean reservoirs |Sammelwerk=Nature Geoscience |Band=Advance online publication |Datum=2017-05-22 |DOI=10.1038/ngeo2954}}</ref>

{{Siehe auch|DUPAL-Anomalien}}

== Aufbau des Mantels und Phasenübergänge im Mantelgestein ==
Der Erdmantel wird in mehrere Schichten untergliedert, die sich weniger in ihrer chemischen Zusammensetzung als vielmehr in den mechanischen Eigenschaften und in der Kristallstruktur und Dichte der Minerale des Mantelgesteins unterscheiden. Hierbei wird grob in Oberen und Unteren Mantel unterschieden.

Die höchste Schicht des Oberen Mantels ist der ''lithosphärische Mantel''. Er bildet zusammen mit der Erdkruste die [[Lithosphäre]], die mechanisch vom übrigen Mantel entkoppelt ist. Das rheologische Verhalten des Lithosphärenmantels kann im Vergleich zum übrigen Mantel als starr bezeichnet werden. Zwar findet plastische Verformung statt, diese ist jedoch, im Gegensatz zum übrigen Mantel, der als Ganzes fließt, auf diskrete Bereiche ([[Scherzone]]n) beschränkt. Die Grenzfläche zwischen der unteren Erdkruste und dem lithosphärischen Mantel wird als [[Mohorovičić-Diskontinuität]] bezeichnet. Der Lithosphärenmantel selbst reicht in weniger als 100 bis über 300 km Tiefe. Bereits in den obersten 100 km des Mantels, das heißt noch innerhalb der Lithosphäre, finden infolge des zunehmenden [[Lithostatischer Druck|lithostatischen Drucks]] Phasenübergänge der aluminiumhaltigen Minerale statt, durch die insbesondere der bei niedrigen Drücken bis knapp 1 [[Pascal (Einheit)#Gigapascal|GPa]] stabile [[Plagioklas]] zu [[Spinell]] wird, der bei 2,5 bis 3 GPa in [[Granat]] übergeht. Hiermit gehen kleinere Änderungen in den Mineralproportionen des Mantelgesteins einher (siehe dazu die Tabellen im Artikel über [[Peridotit]]). Die mittlere Dichte des Gesteins des Lithosphärenmantels beträgt 3,3 g/cm³.

An den Lithosphärenmantel schließt sich nach unten die relativ geringviskose und in geringen Teilen partiell aufgeschmolzene, ca. 100 bis 200 km mächtige [[Asthenosphäre]] an. Sie wird, weil sie sich durch auffällig geringe Geschwindigkeiten [[Seismische Welle|seismischer Wellen]] auszeichnet, auch ''Low Velocity Zone'' (LVZ) genannt. Die mittlere Dichte des Asthenosphärengesteins beträgt 3,3 g/cm³.

Die unterste Schicht des Oberen Mantels ist die sogenannte [[Mantelübergangszone]]. Sie ist in seismischen Profilen gegen die Asthenosphäre durch die sogenannte [[410-km-Diskontinuität]] begrenzt, die die Phasentransformation des [[Olivin]]s von der α-Phase in die dichtere β-Phase ([[Wadsleyit]]) markiert. In etwa 520 km Tiefe wandelt sich Wadsleyit in die wiederum dichtere γ-Phase des Olivins ([[Ringwoodit]]) um ([[520-km-Diskontinuität]]). Etwa in diesem Tiefenbereich bildet sich auch aus den anderen, kalziumhaltigen Mineralen [[Davemaoit]] (CaSiO3 mit [[Perowskit-Supergruppe#Kristallstruktur|Perowskitstruktur]]), der einige Volumenprozent ausmacht und als separate Phase auch im Unteren Mantel existiert. Bereits ab etwa 300 km Tiefe bilden Pyroxene und Granat nach und nach einen aluminiumarmen Mischkristall mit Granatstruktur ([[Majorit]]), der im größten Teil der Übergangszone zwischen 410 und 660 km und dem obersten Teil des Unteren Erdmantels stabil ist. Die mittlere Dichte des Mantelgesteins der Übergangszone beträgt 4,2 g/cm³.

An der [[660-km-Diskontinuität]] zerfällt Olivin bzw. Ringwoodit schließlich in [[Bridgmanit]] (MgSiO3 mit Perowskitstruktur) und [[Periklas|Ferroperiklas]]/[[Wüstit|Magnesiowüstit]]. Diese Reaktion geht mit einer Zunahme der Dichte einher, die als seismische Diskontinuität messbar ist und die Grenze zwischen Oberem und Unterem Mantel markiert. Der überwiegende Teil des Unteren Mantels wird auch [[Mesosphäre (Erdmantel)|Mesosphäre]] genannt (nicht zu verwechseln mit der [[Mesosphäre|gleichnamigen Schicht der Erdatmosphäre]]). Dort scheinen die Minerale des Mantelgesteins, bei einer mittleren Dichte von 5,0 g/cm³, keine Phasentransformationen mehr zu durchlaufen, die zu globalen Diskontinuitäten führen.

Eine mögliche Ausnahme ist die Transformation von Bridgmanit zu MgSiO3 in einer noch dichteren Post-Perowskit-Struktur, die bei Drücken über 120 GPa stattfindet und eventuell die Ursache der sogenannten [[D″-Schicht]] an der Grenze zwischen Erdmantel und äußerem Erdkern ist.

== Mantelkonvektion ==
{{Hauptartikel|Mantelkonvektion}}
Bedingt durch einen Dichteunterschied (welcher vermutlich aus einem Temperaturunterschied resultiert) zwischen der Erdkruste und dem äußeren [[Erdkern]] findet im Erdmantel eine [[Konvektion|konvektive]] Stoffzirkulation statt, die nicht zuletzt durch die Fließfähigkeit des festen, duktilen Mantelmaterials über Jahrmillionen hinweg ermöglicht wird. Dabei steigt heißes Material aus der Nähe der [[D″-Schicht|Kern-Mantel-Grenze]] als [[Diapir]] in höhere Bereiche des Erdmantels auf, während kühleres (und dichteres) Material nach unten sinkt. Während des Aufstieges kühlt das Mantelmaterial [[Adiabatische Zustandsänderung|adiabatisch]] ab. In der Nähe der [[Lithosphäre]] kann die Druckentlastung dazu führen, dass Material des Manteldiapirs partiell aufschmilzt (und dadurch [[Vulkanismus]] und [[Plutonismus (geologisch)|Plutonismus]] verursacht).

Die Mantelkonvektion ist ein im Sinne der [[Strömungslehre|Strömungsmechanik]] chaotischer Prozess und ein Antrieb der [[Plattentektonik]], wobei sowohl langzeitstabile als auch instabile Konvektionsmodelle diskutiert werden. Dafür ist auch das [[Plattentektonik#Aktive Lithosphärenplatten|Absinken]] der alten, kalten und schweren [[Ozeanische Erdkruste|ozeanischen Kruste]] an den [[Subduktion]]szonen bedeutsam. Die Bewegungen der [[Lithosphärenplatte]]n des Erdmantels sind dabei partiell entkoppelt, da aufgrund der Rigidität der Lithosphäre sich eine solche Platte (die meisten umfassen sowohl kontinentale als auch ozeanische Kruste) nur als Ganzes bewegen kann. Die [[Kontinentaldrift|Lageänderungen der Kontinente]] liefern daher nur ein unscharfes Abbild der Bewegungen an der Obergrenze des Erdmantels. Die Konvektion des Erdmantels ist noch nicht im Einzelnen geklärt. Es gibt verschiedene Theorien, nach denen der Erdmantel in verschiedene Stockwerke separater Konvektion unterteilt ist.

== Literatur ==
* Hofmann, Albrecht Werner; Chauvel, Catherine; Arndt, Nicholas T: ''Geochemie des Erdmantels.'' Die Geowissenschaften 8(3), 72-79, 1990, [[doi:10.2312/geowissenschaften.1990.8.72]]

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* {{DNB-Portal|4138985-2}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4138985-2|LCCN=sh85040438}}

[[Kategorie:Erdmantel| ]]
[[Kategorie:Geologie]]

Erdmantel - Versionsgeschichte

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