Vorlesung Allgemeine Geologie

Sommer-Semester 2005Mo, Di, Mi 8.15 – 9.00 Uhr

Hörsaal 06.03

Prof. Dr. Eckart Wallbrecher

Lehrbücher der Allgemeinen Geologie

2) Press & Siever (2001)Allgemeine Geologie, Einführung in das System Erde (3. Auflage)

Spektrum Akademischer Verlag1

Stellung der Geologie in den NaturwissenschaftenNachbar- und Hilfswissenschaften:Physik Chemie Biologie Astronomie MathematikDynamik, Stoffum- Fossilien Frühzeit der Quantifizie-Kinematik wandlungen Sedimen- Erde rung, Atomphysik tation Modelle

Nachbar- und Hilfswissenschaften:Physik Chemie Biologie Astronomie MathematikDynamik, Stoffum- Fossilien Frühzeit der Quantifizie-Kinematik wandlungen Sedimen- Erde rung, Atomphysik tation Modelle

Erdwissenschaften:feste Erde Atmosphäre HydrosphäreGeologie Meteorologie OzeanographieGeophysikGeochemiePaläontologiePetrologieMineralogieGeomorphologie

Erdwissenschaften:feste Erde Atmosphäre HydrosphäreGeologie Meteorologie OzeanographieGeophysikGeochemiePaläontologiePetrologieMineralogieGeomorphologie

Geologie:

Verschiedene Forschungsansätze:1) genetisch,

historisch Historische Geologie

2) kausalanalytisch Allgemeine Geologie

Verschiedene Forschungsansätze:1) genetisch,

historisch Historische Geologie

2) kausalanalytisch Allgemeine Geologie

Allgemeine Geologie

Forschungsziel:Verstehen der geodynamischen Prozesse

Herkunft der Kräfte:

Aus dem Erdinneren Endogene Prozessez.B. Wärmehaushalt, WärmetransportGeotektonik (Plattenbewegungen)Gebirgsbildung

Von außen (von der Sonne) Exogene Prozessez.B. Verwitterung, Sedimentation

Forschungsziel:Verstehen der geodynamischen Prozesse

Herkunft der Kräfte:

Aus dem Erdinneren Endogene Prozessez.B. Wärmehaushalt, WärmetransportGeotektonik (Plattenbewegungen)Gebirgsbildung

Von außen (von der Sonne) Exogene Prozessez.B. Verwitterung, Sedimentation

Historisch wichtige Publikationen

James Hutton (1726 – 1797)

1788: Deutung des Granites aus Schmelze1788: Deutung des Granites aus Schmelze

Erkennen von Zeitlückenin der Sedimentation (Diskordanzen)

Erkennen von Zeitlückenin der Sedimentation (Diskordanzen) Siccar Point SW Edinburg

The Present is the Key to the Past

Begründer der modernen Geologie

Diskordanz

Herkunft der Energie:

Exogen: Solarkonstante 2min94.1

cmcal⋅

Endogen : Erdwärme (Geothermik)a) primordialb) neu entstehend

Endogen : Erdwärme (Geothermik)a) primordialb) neu entstehend

Wärme steuert geodynamischeund geochemische Prozesse

Tektonische Prozesse (Plattenbewegung)

Magmatismus

Metamorphose

Tektonische Prozesse (Plattenbewegung)

Magmatismus

Metamorphose

Das SonnensystemDas Sonnensystem

Größenvergleich der Planeten

www.blinde-kuh.de/weltall/

Die neun Planeten des Sonnensystems

http\\astronomie-sonnensystem.de/system.htm

Das Sonnensystem

Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Akademischer Verlag, 1995)

Stellung der Erde im Planetensystem

354cm

g≤≤ ρ

37.17.0cm

g≤≤ ρ

Gemeinsamkeiten der Planeten:

Bahnen liegen in einer Ebene,gleiche Umlaufrichtung,

gleiche Rotationsrichtung

Bahnen liegen in einer Ebene,gleiche Umlaufrichtung,

gleiche Rotationsrichtung

Die Keplerschen Gesetze:

1.) Planeten bewegen sich auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt sich die Sonne befindet.

2.) Ein von der Sonne zu einem Planeten gezogene Strahl (Radius-Vektor) überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.

3.) Die Quadrate der Umlaufzeiten verschiedener Planeten verhalten sich zueinander wie die Kuben der halben großen Achsen ihrer Bahnen.

1.) Planeten bewegen sich auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt sich die Sonne befindet.

2.) Ein von der Sonne zu einem Planeten gezogene Strahl (Radius-Vektor) überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.

3.) Die Quadrate der Umlaufzeiten verschiedener Planeten verhalten sich zueinander wie die Kuben der halben großen Achsen ihrer Bahnen.

DTDT

3

3

2

2

Mars

Erde

Mars

Erde

aa

TT

=

Entfernung von der Sonne

Die Titius-Bode-Reihe ( )nE 234101

⋅+⋅= 3,2,1,−∞=n

Jeder Planet ist doppelt soweit von der Sonne entfernt,wie der nächste innere

Jeder Planet ist doppelt soweit von der Sonne entfernt,wie der nächste innere

Sonn

e Mer

kur

Venu

s

Erde

Mar

s

Physikalische Eigenschaften

Die großen Planeten erzeugen 99% des Drehimpulses

Die großen Planeten erzeugen 99% des Drehimpulses

ri

mi ∑ ⋅⋅=n

ii rmD1

2ω

Theorien zur Entstehung des Sonnensystems

Theorie der stofflichen Einheit: G. Galilei (1564 – 1642)

Theorie der stofflichen Einheit: G. Galilei (1564 – 1642)

Kant – Laplacesche TheorieImmanuel Kant, 1755

Pierre Simon Laplace, 1796

Urnebel (nebula)

Kant – Laplacesche TheorieImmanuel Kant, 1755

Pierre Simon Laplace, 1796

Urnebel (nebula)

Entstehung des Sonnensystems

http\\astronomie-sonnensytem.de/system.htm

Die Nebula - Hypothese

Langsam rotierende WolkeAus Gas und Staub

Rotierende Scheibe, MaterieKonzentriert sich im Mittelpunkt

Bildung der Protosonne und Ringförmiger Materieansammlung

Verdichtung der Ringe zu Planeten

Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Akademischer Verlag, 1995)

Kollisions-Hypothese

George Louis Leclerq de Buffon, 1749George Louis Leclerq de Buffon, 1749

Es kondensieren:

ProtosonneProtosonne

ProtoplanetenProtoplaneten

MeteoritenMeteoriten

Typen von Meteoriten

www.wappswelt.de/tnp/nineplanets/meteorites.html

Olivin, Proxen

terrestrisch

+ Kohlenstoff

Heutige Vorstellung

Neo – Kant – Laplacesche - TheorieNeo – Kant – Laplacesche - Theorie

Entstehung des Planetensystems aus Planetesimalen(Partikel von 15 – 20 km Durchmesser, die zunächstkalt und undifferenziert sind.)Die Planetesimale entsprechen in ihrer Größe etwaden Partikeln des Asteroiden-Gürtels

Entstehung des Planetensystems aus Planetesimalen(Partikel von 15 – 20 km Durchmesser, die zunächstkalt und undifferenziert sind.)Die Planetesimale entsprechen in ihrer Größe etwaden Partikeln des Asteroiden-Gürtels

Bildung von Planetesimalen

www.psi.edu/projects/planets/planets.html

Die Entwicklung des Sonnensystems aus Planetesimalen

Planetesimale

Protoplaneten Planeten

Umgezeichnet nach Ozima 1987

Proto-sonne

Computer-Simulation

100 Planetesimale auf Bahnenum die Sonne (dreidimensional).Die Masse entspricht der Masse aller terrestrischen Planeten.

Nach 30.2 Ma sind 22 größereKörper entstanden. Die Um-laufbahnen sind elliptisch

Aus Wetherill (Spektrum der Wissenschaft, 1984

Ausgangszustand der Protoerde

kalt

undifferenziert

durch Akkretion entstanden

Energiequellen:primordial:

Stoßenergie

Gravitation (Verdichtung)

neu entstehend:Radioaktivität

Nach Press & Siever (Spektrum, Akademischer Verlag, 1995)

Beispiel für Stoßenergie:Ein Eisenmeteorit von 1m Durchmesser wiegt ca. 4 t

sec30 kmv =

Eine realistische Geschwindigkeit ist

(Umlaufgeschwindigkeit der Erde)

Die kinetische Energie beträgt:2

2vmEkin =

Nmmkg 112

22 1018

sec30000

24000

⋅=⋅

=

MWh3600101018

6

11

⋅⋅

=

MWh31021

⋅=

= 500 MWh= 500 MWh

Beginnende Differenzierung

500 1000 1500 2000 2500

1000

2000

3000

Tiefe

Tem

pera

tur [

°C]

Temperatur bei 0 Jahren

Schmelzkurve von Eisen

nach 500 Ma

nach 1 Ga

Nach 1 Ga beginnt Eisenzu schmelzen

0 Jahre : Akkretion und Verdichtung : Temperatur bis 1500°C500 Ma später : durch Radioaktivität : Temperatur bis 2000°CNach 1 Ga : in 400-800 km Tiefe Berührung mit der Schmelz-kurve von Eisen: Bildung eines Eisen-Kerns

0 Jahre : Akkretion und Verdichtung : Temperatur bis 1500°C500 Ma später : durch Radioaktivität : Temperatur bis 2000°CNach 1 Ga : in 400-800 km Tiefe Berührung mit der Schmelz-kurve von Eisen: Bildung eines Eisen-Kerns

Umgezeichnet nach Press & Siever, 1986

Entstehung des Schalenbaus der Erde

Bildung des Erdkerns Heutiger Aufbau der Erde

Aus Press und Siever (Spektrum, Lehrbücher), 1995

Aufbau der Erde

www.solarviews.com/earthint.htm

Die einzelnen Schalen der Erde

0-35

-135-235

-400

-1500

-2885

-5155

-6370

Oberfläche

}} }

}

}}}}

Oberer Mantel

Übergangszone

Unterer Mantel

Äußerer Kern

Innerer KernMittelpunkt

KrusteLithosphäre

Asthenosphäre

km

Relative Häufigkeit der Elemente

Gesamterde ErdkrusteAus Press & Siever (Spektrum Lehbücher), 1995

Seit wann?

Alter der Erde und der Planeten: 4.56 GaTerrae des Mondes : 4.55 Ga Älteste Gesteine (Isua-Gneise): 3.8 Ga

Alter der Erde und der Planeten: 4.56 GaTerrae des Mondes : 4.55 Ga Älteste Gesteine (Isua-Gneise): 3.8 Ga

Wie ist die Verteilung fest – flüssig?Diese Frage läßt sich mit dem Studium der Seismizität beantworten

Kompressions-oder Longitudi-nalwellen(Primärwellen)

Dieser Wellentypkann auch Flüssig-keiten durchdringen

Scher- oder Trans-versalwellen(Sekundärwellen)

Dieser Wellentypkann Flüssigkeiten nicht durchdringen

Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995

Ausbreitung von P- uns S-Wellen

S-Wellen hören an der Grenze zum äußeren Erdkern auf.Hieraus kann man schließen, daßdieser flüssig sein muß.

Verlauf der P-WellenDie Schattenzone ist derBereich, in den die P-Wellennicht gelangen, weil sie vom Kern abgelenkt werden

Aus Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995

Zustände der Erdschalen:

Innerer Kern : festÄußerer Kern: flüssigMantel : festAsthenosphäre: plastischLithosphäre: starr

Wärmeleitfähigkeit

Gestein ist ein sehr schlechterWärmeleiter

Ccmcalbis

°=

sec015,0003,0λ

Konvektionswalzen

Aus Siever (Spektrum der Wissenschaft), 1987

Das Magnetfeld der Erde

Das Magnetfeld entsteht durch einen Dynamoaus innerem Kern (Eisen, fest) und Konvekti-onen im äußeren Kern (flüssig)

Aus Jeanloz (Spektrum), 1987

Die äußeren Schalen der Erde

Petrologie von Kruste und Mantel

Kruste

Mantel

kontinental: GranitOrthoklas KAlSi3o8Albit NaAlSi3O8Quarz SiO2

ozeanisch: Basalt Anorthit CaAl2Si2O8Albit NaAlSi3O8

Olivin (Mg,Fe)2SiO4Pyroxen Mg2Si2O6

Peridotit

Konvektion bewirkt chemische Zonierung

Mantel

Kruste

Konvektion

Diffusion der leichtenund großen Elemente

in die Kruste

Inkompatible Elemente:Large Ion Lithophiles (LIL-Elemente)

K, Rb, U, Th

Inkompatible Elemente:Large Ion Lithophiles (LIL-Elemente)

K, Rb, U, Th

Verteilung der Radioaktivität

kontinentale Kruste

ozeanische Kruste

oberer Mantel

4

0.5

0.02

U

13

2

0.06

Th

4

1.5

0.02

K

ppmWärmeJoule/(cm Jahr)3

67 x 10-6

21 x 10-6

0.21 x 10-6

Die Radioaktivität ist in der Erdkruste konzentriertDie Radioaktivität ist in der Erdkruste konzentriert

Der obere Erdmantel ist an den LIL-Elementen verarmt.Depleted mantle

Der obere Erdmantel ist an den LIL-Elementen verarmt.Depleted mantle

Zusammensetzung von Mantelgesteinen

Hochmeta-morphesGestein

ArchäischesMantelgestein

HeutigesMantelgestein

Meteoriten

Nach MCKenzie (Spektrum der Wissenschaft), 1987

Übergangszonen im oberen Mantel

Nach McKenzie (Spektrum der Wissenschaft), 1987

Entstehung der Atmosphäre und Hydrosphäre

Exhalation der VulkaneAus Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995

Herkunft des Wassers

Große Mengen Wasser sind in Mineralen der Erdkruste gebunden,

z.B. Glimmer KAl3Si3O10(OH)2

Große Mengen Wasser sind in Mineralen der Erdkruste gebunden,

z.B. Glimmer KAl3Si3O10(OH)2

Entwicklung der Atmosphäre

Atm

osph

äre

unbe

kann

t

4.5 4 3 2 1Milliarden Jahre

100

75

50

25

0Proz

ent d

er G

ase

in d

er A

tmos

phär

e

Methan, Ammoniak

Stickstoff

Kohlendioxid

Wasserdampf

Sauer-stoff

Die Uratmosphäre

Wahrscheinlich reduzierend

CO2CH4NH3H2O

Wahrscheinlich reduzierend

CO2CH4NH3H2O

Hieraus können sich Aminosäuren gebildet haben.

Hieraus können sich Aminosäuren gebildet haben.

Banded Iron Formation (Itabirite)

Banded Iron Formation (BIF), Kola-Halbinsel, Russland

Radioaktiver ZerfallRadioaktiver Zerfall

wichtige radioaktiveIsotope:

235U, 238U, 232Th, 87Rb, 40K235U, 238U, 232Th, 87Rb, 40K

Strahlungsarten

α− Strahlung: 2 Protonen + 2 Neutronen (He-Kerne)β - Strahlung: Elektronenγ- Strahlung: elektromagnetische Wellen

Zerfallgesetz:

HTeNN λ−⋅= 0

0

2HTe ⋅= λ2

693.02ln ≈=⋅ HTλ

teNN λ−⋅= 0( λ = Zerfallskonstante )

20N

N =Halbwertszeit ( TH ) :

Indirekter Zerfall:

920882

23290

920682

23892

920782

23592

109.13,

105.4,

10713.0,

⋅=→

⋅=→

⋅=→

H

H

H

TPbTh

TPbU

TPbU

Direkter Zerfall:Neutron Proton + e- (ß-Zerfall)

94020

4019

108738

8737

1047.1,

1088.4,

⋅=+→

⋅=+→−

−

H

H

TeCaK

TeSrRb

Proton + e- Neutron (inverser ß-Zerfall)940

184019 1029.1, ⋅=−→ −

HTeArK2 Protonen + 2 Neutronen (α−Zerfall)

1114360

14762 1006.1, ⋅=+→ HTNdSm α

Altersmessungen mit direktem Zerfall:

N0 = Anzahl der Mutterisotope zu BeginnD = Anzahl der Tochterisotope nach der Zeit tN = Anzahl der Mutterisotope nach der Zeit t

)1(

)(0

−=

+=

+=

+=−

t

t

t

eNDDNNeeDNN

DNN

λ

λ

λ

Ausgangsformel für Altersdatierung

Altersdatierungen: Die Isochronen-Methode:Rb/Sr (Th = 4.88 x 1010 )

Ausgangsformel: 1( −= teND λ )

Massenspektrometer mißt Verhältnisse, deshalbbeziehen auf das stabile Sr86

)1(86

87

086

87

86

87

−+==

t

theutee

SrRb

SrSr

SrSr λ

IsochroneSr

Sr

87

8787

86

8686

SrSr

RbSrt = 0} (Sr-Initial)

a 1tan −= teλα

)1(870

8787 −+= =t

theute eRbSrS λr

Chondriten-Isochrone

Probennahme für Rb/Sr-Datierung

Alter der Metamorphose

Ch. Hauzenberger, 2003

Indirekter Zerfall: Concordia-Kurve

Altersmessung (U/Pb-Methode):

UPb

238

206

UPb

235

207

Concordia

Discordia

Unterer Einstichspunkt(Alter der Metamorphose)

Oberer Einstichspunkt(Alter des Gesteins)

Zirkon-Alter

Ch. Hauzenberger, 2003

SagallaHills

Ar/Ar-Abkühlungsalter von Amphibolen

Erdwärme (Geothermik)Erdwärme (Geothermik)

Arten des Wärmetransportes:Wärmeleitung (Konduktion)

Ccmcal

°⋅⋅≤≥

sec015.0003.0 λ

Advektion(Aufstieg von Schmelzen)

Advektion(Aufstieg von Schmelzen)

Konvektion(walzenförmiger Wärmetransport)

Konvektion(walzenförmiger Wärmetransport)

Der Temperatur-Gradient

Der Temperatur-Gradient gibt die Änderung derTemperatur mit der Tiefe an.

Der Temperatur-Gradient gibt die Änderung derTemperatur mit der Tiefe an.

ΔΤΔr [°C/m ; °C/km]

Messung des Temperatur-Gradienten

Stollen 1

Stollen 2

T1

T2

BergwerkSc

hach

t

Δr

Gradient =

T2 –T1Δr

Messung des Gradienten in Sedimenten

Aus Press & Siever, 1986

Mittlere Werte:

Mittelwert 30°C/kmMittelwert 30°C/km

Geothermische Tiefenstufe33m/°C

Geothermische Tiefenstufe33m/°C

Temperaturgänge:täglich 1mjährlich 25mPermafrost 600m

Temperaturgänge:täglich 1mjährlich 25mPermafrost 600m

Der WärmeflußWärmestromdichte

Energie

Fläche x Zeit

Heat Flow Unit (HFU)Heat Flow Unit (HFU)

1 HFU = 10-6 calcm2 x sec

= 42 mW/m2

Mittelwert: 1.5 HFU ~ 60 mW/m2Mittelwert: 1.5 HFU ~ 60 mW/m2

Messung:ΔΤ

HF =Δr

x λ

Beispiel: In einem Bergwerk wurde gemessen:

30 °C / 1 km = 30/105 °C/cm

Die Wärmeleitung des Gesteins wurde im Labor bestimmt:λ = 0.006 cal / (cm sec °C)

HF = 105

x103 cm2 sec

= 1.8 HFU

30 6 cal

Wärmefluß in Europa

Stockholm

Bukarest

Paris

Algier

Edinburg

Schottland,Hebriden

BaltischerSchild

PannonischesBecken, Balkan

Alboran-See Ost-

Ägäis

Geothermische Tiefenstufen:niedrig:

junge Vulkanez.B. Santorini 7 – 10 m/°C

tertiäre Vulkanez.B. Urach Schwäbische Alb

14.3 m/°C

hoch:alte Schildez.B. Kanada 125 m/°C

Wärmefluß:alte Schilde 0.9 – 1.1 HFUTiefsee < 1.2 HFUozeanische Rücken > 2 HFU

3D-SeismikRot : heißBlau: kalt

150 km Tiefe150 km Tiefe

350 km Tiefe350 km Tiefe

550 km Tiefe550 km Tiefe