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Institut für Geologie. Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen). Blanka Sperner. Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I 09599 Freiberg Tel. 0 37 31/39-3813 I [email protected]. Wiederholung. Restwärme radioaktiver Zerfall - (Sonne). - PowerPoint PPT Presentation
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Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I 09599 FreibergTel. 0 37 31/39-3813 I [email protected]
Institut für Geologie
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen)
Blanka Sperner
2
Wiederholung
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Wärmequellen:- Restwärme- radioaktiver Zerfall
- (Sonne)
Wärmetransfer:
- Mittelozeanischer Rücken (Atlantik)- Subduktion (S-Amerika, Japan)
- Kollision (Alpen, Tibet)
- Konduktion- Konvektion / Advektion
- (Strahlung)
Wärmeflußgleichung:
Wärmefluß & Tektonik:
q = k (T/z)k: Konduktivität (Wärmeleitfähigkeit)
T/z: geothermischer Gradient
3
Isostasie
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
4
Isostasie = Gleichstand (griech.)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Strobach, K. (1991): Unser Planet Erde
Schwimmgleichgewicht
• unterschiedliche Dichte
• unterschiedliche Dicke
5
Isostatische Modelle (1)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Frisch, W. & Loeschke, J. (1993): Plattentektonik.
6
Isostatische Modelle (2)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
7
Isostatische Modelle (3)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
8Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Isostatische Modelle (4)
9Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
p = const.
p = const.
Isostatische Modelle (5)
Σ ρi·hi = const.
(bez. Einheitsfläche)
Σ ∆mi = 0
Verdickung der Kruste Hebung
Verdickung des lith. Mantels SubsidenzAusgangsmodell
10Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Airy Isostasie
11
Berechnung der Vertikalbewegung
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
ΔmM = Δh0·(ρM - ρLuft)·A = Δh0·(ρM)·A
Δh0 = -ΔhC· (ρC - ρM)/(ρM)
Δh0
ΔmC < 0
ΔmC < 0
Schweres Mantelmaterial wird durch
leichteres Krustenmaterial ersetzt:
Beispiel Krustenverdickung
ΔmC =ΔhC·(ρC - ρM)·A
ΔhC
Massedefizit muss durch Hebung ausge-
glichen werden, damit Mantelmaterial von
unten nachfließen kann:
ΔmM > 0
Isostasiebedingung:
Σ ∆mi = ΔmC + ΔmM = 0
ΔmM > 0
A: Fläche (kürzt sich raus)
12
Aufgaben
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
• Siehe Aufgabenblätter
• Skizze anfertigen
• Vertikalbewegung bzw. Mohotiefe berechnen
• Beispiele?
• Ergebnis (Skizze & Rechnung) präsentieren
10 min.
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Aufgabe (1)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
ΔmC < 0
Hebung, damit Mantelmasse von unten nachfließen kann:
ΔmM = -ΔmC
Δh0·(ρM) = -ΔhC·(ρC - ρM)
Δh0 = -ΔhC·(ρC - ρM)/(ρM)
= -30 km·(2800 - 3200)/(3200)
= 3.75 km
Δh0 = 1/8 · ΔhC
Verdickung derKruste um 30 km
Δh0
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Aufgabe (1a)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
ΔmC < 0
Verdickung derKruste um 30 km
Kollisions-zone
(Beispiel Alpen)
15
Aufgabe (2)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Δh0
Subsidenz, damit Asthenosphären-masse nach unten wegfließen kann:
ΔmL = -ΔmLM
Δh0·(ρL -ρA) = -ΔhLM·(ρLM - ρA)
Δh0 = -ΔhLM·(ρLM - ρA)/(-ρA)
= -30 km·(3200 - 3150)/(-3150)
= 0.476 km
Δh0 = 1/63 · ΔhLM
Verdickung des lithosphärischenMantels um 30 km
16
Aufgabe (2a)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Verdickung des lithosphärischenMantels um 30 km
Subduktionszone(Beispiel Anden)
Modellierung (1)
Entwicklung einer Subduktions- / Kollisionszone(unter der Annahme lokaler Airy-Isostasie)
17Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Modellierung (2)
Stage 2
Stage 3
C on stan t th ick n ess of lith o sp h eric ro o t, i.e . co n s tan t b a sin d e p th in u p p er p la te
In c rea sin g th ick n ess o f lith o sph e ric ro o t, i .e . in creas in g b a sin d ep th in u p p e r p la te
Stage 11
2
3
L ith .ro o t
V.E .= 1
C on t. c ru st
L ith . M antle
0
0
30
2
[km ]
90
V.E .= 1 0Stage 1Stage 2Stage 3
M a xim u m ba s in d e pth
W ate r
C on t. c ru stS ed im en ts
Beckenentwicklung aufgrund
fortschreitender Subduktion
18Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
19
Aufgabe (3)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
ΔmL = -ΔmM
Δh0·(ρL - ρM) = -ΔhM·(ρM - ρC)
Δh0 = -ΔhC·(ρM - ρC)/(-ρM)
= -24 km·(3200-2800)/(-3200)
= 3.0 km
Δh0 = 1/8 · ΔhC
Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann
Ausdünnung der Krusteum 24 km
ΔhO
20
Aufgabe (3a)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Ausdünnung der Krusteum 24 km Tektonische Grabenstrukturen
(Beispiel Oberrheingraben)
21
Aufgabe (4)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann
ΔmW = -ΔmC
ΔhW·(ρW - ρM) = -ΔhC·(ρM - ρC)
ΔhW = -ΔhC·(ρM - ρC)/(ρW - ρM)
= -24 km·(3200-2800)/(1030-3200)
= 4.4 km
ΔhW = 1/5.4 · ΔhC
ΔhW
Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Wasserfüllung im
Becken (ρW=1030 kg/m3)
22
Aufgabe (4a)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
ΔhW = 4.4 kmAusdünnung der Kruste
um 24 km: Wasserfüllung im
Becken (ρW=1030 kg/m3)
ΔhW entspricht der Meeres-tiefe der Tiefseebecken
Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann
23
Aufgabe (5)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
ΔmS = -ΔmC
ΔhS·(ρS - ρM) = -ΔhC·(ρM - ρC)
ΔhS = -ΔhC·(ρM - ρC)/(ρS - ρM)
= -24 km·(3200-2800)/(2400-3200)
= 12 km
ΔhS = 0.5 · ΔhC
ΔhS
Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Sedimentfüllung
im Becken (ρS=2400 kg/m3)
24
Aufgabe (5a)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Sedimentfüllung
im Becken (ρS=2400 kg/m3)
Cloetingh et al. (2005)
Backarc-Becken(Beispiel: Pannonisches Becken)
ΔmC > 0
ΔhW = 0.185 · ΔhC
(mit Wasserfüllung)
ΔhS = 0.5 · ΔhC
(mit Sedimentfüllung)
25Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Δh0 = 0.125 · ΔhC
(mit Luftfüllung)
Krustenausdünnung
Betrag der Subsidenz maßgeblich von Dichte der Beckenfüllung abhängig:
ΔhB = -ΔhC·(ρM - ρC)/(ρB - ρM) = 24 km · 400/(ρB - 3200)
Δh0 = 3.0 km ΔhW = 4.4 km ΔhS = 12.0 km
(Kruste unter kontinentalen Becken hat meist größere Mächtigkeit als die gezeigten 6 km)
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Aufgabe (6)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Subsidenz, damit Asthenosphären-masse nach unten wegfließen kann:
ΔmW = -ΔmLM
ΔhW·(ρW - ρA) = -ΔhLM·(ρLM - ρA)
ΔhW = -ΔhLM·(ρLM - ρA)/(ρW - ρA)
= -54 km·(3200-3150)/(1030-3150)
= 1.27 km
ΔhO = 1/42.4 · ΔhLM
ΔhW
Verdickung des lithos. Mantels
auf 60 km; Wasserbedeckung
(ρW=1030 kg/m3)
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Aufgabe (6a)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Frisch, W. & Loeschke, J. (1993): Plattentektonik
Ozeanische Lithosphäre (Beispiel Atlantik)
Absinken der ozeanischen Lithosphäre aufgrund von Abkühlung und Verdickung
28
Aufgabe (7)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Hebung, damit Mantelmasse von unten nachfließen kann:
ΔmM = -ΔmT
ΔhO·(ρM - ρL) = -ΔhT·(ρL - ρC)
ΔhO = -ΔhT·(- ρC)/(ρM)
= -5 km·(-2800)/(3200)
= 4.375 km
ΔhO = 7/8 · ΔhT
Erosion von ursprünglich 5.0
km Topographie
Δho
29
Aufgabe (7a)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Erosion von ursprünglich 5.0
km Topographie
Δho
Topographische Erhebungen(Alpen, Anden, Himalaja)
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Erosion & Hebung (1)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Erosion → isostatische Hebung
→ Höhe (über NN) niedriger als vorher
(Keller & Pinter, 1996)
31
Erosion & Hebung (2)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
(Burbank & Anderson, 2001)
lokale Erosion → isostatische Hebung
→ Gipfel höher als vorherige mittlere Höhe
GeoidSurface uplift:
Hebung der Erdoberfläche bez. Geoid
GeoidRock uplift: Hebung des Gesteins bez. Geoid
GeoidExhumation:
Bewegung des Gesteins bez. Erdoberfläche
Geoid
Surface uplift = Rock uplift - Erosion
(+ Sedimentation - Kompaktion)
32
Hebung vs. Exhumierung
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
33
Aufgabe (8)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
ΔmC = -ΔmT
ΔhO·(ρC - ρM) = -ΔhT·(ρC - ρL)
ΔhO = -ΔhT·(ρC)/(ρC - ρM)
= -4.8 km·(2800)/(2800-3200)
= 33.6 km
ΔhO = 7 · ΔhT
Tiefe der Moho bei einer
Topographie von 4.8 km
Δho
34
Aufgabe (8a)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Tiefe der Moho bei einer
Topographie von 4.8 kmΔho
Braitenberg et al. (2000)
35
Aufgabe (9)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
ΔmC = -ΔmT
ΔhO·(ρC - ρM) = -ΔhT·(ρC - ρW)
ΔhO = -ΔhT·(ρC - ρW)/(ρC - ρM)
= -6 km·(2800-1030)/(2800-3200)
= 26.55 km
ΔhO = 4.4 · ΔhLM
Krustenwurzel unter 6 km
Topographie im WasserΔhO
36
Aufgabe (9a)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Krustenwurzel unter 6 km
Topographie im Wasser
Hawaii-Inseln (Hot Spot)
LokaleIsostasie
RegionaleIsostasie
(Flexur)
Watts, A.B. (2001): Isostasy and flexure of the lithosphere
37
Lokale vs. regionale Isostasie
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Stüwe, K. (2000): Geodynamik der Lithosphäre.
Isostatischer Ausgleich senkrecht unter Belastung
(keinerlei Scherfestigkeit)
Isostatischer Ausgleich verteilt sich auf größere Region
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Biegesteifigkeit (1)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Je steifer die Platte, desto geringer die Biegung (d.h. desto größer die elastische Dicke)
D: Steifigkeit (flexural rigidity)
E: E-Modul (Young‘s modulus)
Te: effektive elastische Dicke (EET)
ν: Poisson-Verhältnis
q(x): vertikale Last
ρa: Dichte über der Platte
ρ b: Dichte unter der Platte
D: Steifigkeit (flexural rigidity)
w: vertikale Auslenkung
x: Abstand von der Last
Biegesteifigkeit (2)
39Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
40
Flexural bulge
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Aufwölbung der Platte aufgrund ihrer Steifigkeit
(je stärker die Flexur, desto größer die Aufwölbung)
Flexuraufwölbung
41
Flexur & Tektonik
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Masseüberschuß in der Tiefe (subduzierte Platte)
Masseüberschuß an der Oberfläche (Gebirge)
Auslösende Kraft für Flexur:
(Burbank & Anderson, 2001)
Überschiebung der Oberplatte
→ Flexur der Unterplatte
→ Sedimentbecken im Vorland
→ Geometrie gibt Aufschluß über
Biegesteifigkeit
Gilt nur, wenn die überschobenen Gesteine die einzige
Last darstellen. Aber: Slab pull kann in der Tiefe wirken!
42Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Kontinentale Kollision
(Burbank & Anderson, 2001)
Erosion im Überschiebungsgürtel
→ Hebung des Überschiebungsgürtels
→ Flexur verringert sich (weniger Last)
→ Verkippung der Vorlandsedimente
43Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Kollision & Erosion
Was passiert bei Erosion im Überschiebungsgürtel?
Abschmelzen der Eismasse → isostatische Hebung
→ Hebungsrate → Viskosität des Mantels
Watts, A.B. (2001): Isostasy and flexure of the lithosphere.
44Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Isostasie & Mantelviskosität
Strobach, K. (1991): Unser Planet Erde - Ursprung und Dynamik.
Entsprechendes gilt für abtauchende (schwere) Platten:
Abwärtsbewegung induziert „Sog“ an der Oberfläche
45Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Dynamische Isostasie
Strömungen (~ Dichteunterschiede) produzieren ebenfalls Vertikalbewegungen
Mantel-plume
Nicht immer ist es
Isostasie...
Hyndman, R.D.: Schwere Erdbeben nach langer seismischer Stille. - Spektrum der Wissenschaft, 2001
46Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Molnar, P.: Das Fundament der Gebirge. - Spektrum der Wissenschaft, 1986.
Pratt
Airy
Vening-Meinesz
47Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Zusammenfassung (1)
Σ ρi·hi = const.(bez. Einheitsfläche)
Σ ∆mi = 0
Isostatische Modelle
Stage 2
Stage 3
C on s tan t th ick n ess o f lith o sp h eric ro o t, i.e . co n s tan t b a sin d e p th in u p p er p la te
In c rea sin g th ick n ess o f li th o sph e ric ro o t, i .e . in c reas in g b a sin d ep th in u p p e r p la te
Stage 11
2
3
L ith .ro o t
V.E .= 1
C on t. c ru st
L ith . M antle
0
0
30
2
[km ]
90
V.E .= 1 0Stage 1Stage 2Stage 3
M a xim u m ba s in d e pth
W ate r
C on t. c ru stS ed im en ts
48Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Zusammenfassung (2)
Isostasie & kontinentale Tektonik
49Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Zusammenfassung (3)
Isostasie & ozeanische Tektonik
50Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Zusammenfassung (4)
Isostasie & Lithosphärenstruktur