Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen)

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1 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen)
Institut für Geologie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen) Blanka Sperner Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I Freiberg Tel / I

2 Σ ρi·hi = const. Σ ∆mi = 0 Wiederholung (1) Isostatische Modelle
(bez. Einheitsfläche) p = const. Σ ∆mi = 0 Lokale Isostasie p = const. 2 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

3 Wiederholung (2) Isostasie & kontinentale Tektonik 3
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4 Wiederholung (3) Isostasie & ozeanische Tektonik 4
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5 Wiederholung (4) Isostasie & Lithosphärenstruktur 5
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6 Wiederholung (5) Regionale Isostasie Biegesteifigkeit 6
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 6 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

7 Σ ρi·hi = const. Σ ∆mi = 0 Wiederholung (6)
Modelle der letzten Übungsstunde? Σ ρi·hi = const. (bez. Einheitsfläche) p = const. Σ ∆mi = 0 Lokale Isostasie p = const. 7 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

8 Aufgaben Dichten: Wasser: kg/m3 Sediment: 2400 kg/m3 Kruste: kg/m3 Lithos. Mantel: kg/m3 Asthenosphäre: 3150 kg/m3 (1) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Verdickung der Kruste um 30 km. (2) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lith. Mantel, 50 km Asthenosphäre Problem: Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km. (3) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km. (4) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Wasserfüllung im Becken. (5) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Sedimentfüllung im Becken. (6) Ausgangssituation: 6 km Kruste, 6 km lith. Mantel, 70 km Asthenosphäre Problem: Verdickung des lithosphärischen Mantels auf 60 km; Wasserbedeckung. (7) Ausgangssituation: auf 70 km verdickte Kruste, davon 5 km Topographie, 35 km lith. Mantel. Problem: Erosion der gesamten Topographie. (8) Ausgangssituation: 4.8 km Topographie, 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Tiefe der Moho (wieviele km Krustenwurzel sind nötig?). (9) Ausgangssituation: 6 km Topographie umgeben von Wasser, 6 km Kruste, 50 km lith. Mantel. Problem: Tiefe der Moho (wieviele km Krustenwurzel sind nötig?). 8 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

9 Dichtebestimmung Dichte vs. vp Experimente (p-T) Experimente (p-T)
Berckhemer, H. (1990): Grundlagen der Geophysik. Dichte vs. vp Experimente (p-T) Mantelxenolithe Schweremessungen Dichte der Gesamterde Dichteanomalien Geschwindigkeit seismischer Wellen Experimente (p-T) Mantelxenolithe Schweremessungen Dichte der Gesamterde Dichteanomalien Geschwindigkeit seismischer Wellen 9 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

10 Schwerefeld (1) 10 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

11 Potentialfelder der Erde
Magnetfeld Schwerefeld Dipolfeld mit Nord- und Südpol Magnitude variiert um Faktor zwei radialsymmetrisch weltweit ungefähr gleich gross 11 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

12 G: allgemeine Gravitationskonstante
Gravitationskraft F = G·m1·m2 / r2 G: allgemeine Gravitationskonstante (6.67·10-11 Nm2/kg2) F = m1·a = G·m1·m2 / r2 g: Erdbeschleunigung ME: Masse der Erde RE: Radius der Erde g = G·ME / RE2 ≈ 9.81 m/s2 Einheit: 1 Gal = 1 cm/s2 = 0.01 m/s2 (d.h. ungefähr ein Tausendstel der Erdbeschleunigung) 1 mGal = 10-3 Gal = 10-5 m/s2 (d.h. ungefähr ein Millionstel der Erdbeschleunigung) (nach Galileo Galilei) 12 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

13 LaCoste-Romberg-Gravimeter
Relativgravimeter: Veränderung gegenüber einem Nullpunkt Messung: Federauslängung Genauigkeit: ± wenige μGal Absolutgravimeter: absolute Schwere keine Kalibrierung nötig Messung: freier Fall, (Schwerependel) Genauigkeit: ± 10 μGal LaCoste-Romberg-Gravimeter (Relativgravimeter) 13 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

14 Schwerefeld Komponenten des Schwerefeldes:
- Gravitationswirkung der Erdmasse - Zentrifugalkraft (aus Erdrotation) - Unregelmäßigkeiten in Aufbau und Form der Erde - Gezeiten (Gravitationswirkung von Mond und Sonne) 14 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

15 Äquator vs. Pol Unterschiede in der Erdbeschleunigung am Äquator im Vergleich zum Pol: höhere Zentrifugalkraft am Äquator → geringere Schwere (-∆g) größerer Abstand R zum Erdmittelpunkt → geringere Schwere (-∆g) zusätzliche Masse wg. größerem Radius → höhere Schwere (+∆g) 15 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

16 Maßgebliche Faktoren Geographische Breite (φ) Topographische Höhe (∆R) Verteilung der Massen in der Erde (M) Korrektur möglich Korrektur für geographische Breite  Normalschwere: g0 = ge·( ·sin2φ ·sin4φ) g0: theoretische Gravitation für den Breitengrad des Meßpunktes [mGal] ge: theoretische Gravitation am Äquator [978, mGal] φ: Breitengrad des Meßpunktes [°] 16 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

17 Form der Erde 17 GFZ Potsdam
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18 Geoid Physikalisches Modell der Erdfigur: Fläche gleichen Schwerepotentials (durch den mittleren Meeresspiegel der Weltmeere repräsentiert) Geometrisches Modell der Erdfigur: Ellipsoid 18 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

19 Lotabweichung Differenz zwischen wahrer Lotrichtung und theoretischer Ellipsoidnormalen (sie entspricht der Neigung zwischen Geoid und Ellipsoid und verzerrt terresterische Vermessungsnetze) 19 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

20 Geoidundulationen Geoidundulationen relativ zum Referenzellipsoid 20
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21 (Masse der Topographie bleibt unberücksichtigt)
Freiluftkorrektur Korrektur für Unterschiede in der topographischen Höhe: gF [mGal] = 0.308·h [m] (Masse der Topographie bleibt unberücksichtigt) 21 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

22 Freiluftanomalie ∆gF = gbeob + gF - g0 (= gF - g0)
(Free air anomaly, FAA) Abweichung von der Normalschwere g0: ∆gF = gbeob + gF - g0 (= gF - g0) Freiluftschwere: gF = gbeob + gF 22 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

23 Beispiel für FAA 23 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

24 Bouguerkorrektur gB [mGal] = 2·π·ρ·G·h = 0.0419·ρ [g/cm3]·h [m]
Korrektur für die Masse zwischen Meßpunkt und Referenzniveau: gB [mGal] = 2·π·ρ·G·h = ·ρ [g/cm3]·h [m] Bouguerplatte: Platte unendlicher Ausdehnung mit der Höhe h und der Dichte ρ 24 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

25 Bouguerkorrektur an Land
gB [mGal] = ·ρ·h = 0.112·h [m] 25 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

26 Bouguerkorrektur überm Meer
gB [mGal] = ·(ρw-ρc)·hw = ·h [m] 26 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

27 Bougueranomalie ∆gB = ∆gF - gB (= gB - g0) (Bouguer anomaly, BA)
Abweichung von der Normalschwere g0: ∆gB = ∆gF - gB (= gB - g0) Bouguerschwere: gB = gbeob + gF - gB 27 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

28 Beispiel für FAA & BA [mGal] 28
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29 Bedeutung von FAA & BA → Information über Isostasie
Freiluft-anomalie (FAA) → Information über Isostasie (FAA = 0 bei Isostasie) gtop Strobach (1991): Unser Planet Erde → Information über Mohotiefe Bouguer- anomalie (BA) (z.B. BA < 0 bei Krustenwurzel) topographische Korrektur (gtop): berücksichtigt die Schwerewirkung seitlicher Massen 29 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

30 Zwischenaufgabe 5 min. Zweiergruppen: Definition / Bedeutung von Geoid
Normalschwere Freiluftanomalie Bougueranomalie 5 min. 30 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

31 Einflußfaktoren Tiefe (z) Größe (R) Dichtekontrast (∆ρ)
Interpretation nie eindeutig, da mehrere Faktoren die Schwereanomalie beeinflussen: Berckhemer, H. (1990): Grundlagen der Geophysik. Tiefe (z) Größe (R) Dichtekontrast (∆ρ) 31 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

32 Kugelförmiger Körper Tiefe (z) Größe (R) Dichtekontrast (∆ρ)
Unterschiedliche Interpretationen derselben Schwereanomalie Moores, R.J. & Twiss, E.M. (1995): Tectonics. 32 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

33 Halb-unendliche Platte
- 1.00 0.75 0.50 0.25 0 - Asymmetrische Schwereanomalie, die die Hälfte ihres Maximalwertes genau über dem Plattenbeginn erreicht 33 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

34 2 halb-unendliche Platten
Beispiel: passiver Kontinentalrand Amplitude abhängig von Massenanomalie (∆ρ·∆h) Gradient abhängig von mittlerer Tiefe (z) 34 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

35 Passiver Kontinentalrand
Freiluftanomalie sollte Null sein (Isostasie gegeben; keine Topographie). Aber: unterschiedliche Tiefen der Massen-anomalien (d.h. unterschiedl. Gradienten) führen zum Randeffekt (edge effect). 35 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

36 Positive Fläche = Negative Fläche
Randeffekt Positive Fläche = Negative Fläche → Isostasie Atlantikküste der USA 36 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

37 Orogen Unterschiedliche Tiefen von Topographie und Krustenwurzel → Randeffekt 37 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

38 Randeffekt bei Orogenen
Tibet (McKenzie & Fairhead, 1997) Aber: Flexur spielt ebenfalls eine Rolle → Vorlandbecken mit Sedimenten geringerer Dichte → negative Anomalie 38 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

39 Beispiel Ostkarpaten → Isostasie → Mohotiefe Freiluft- anomalie
Bouguer- anomalie → Mohotiefe 39 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

40 Testen tektonischer Modelle
Modellierte Schwereanomalien Versteilung des Slabs Abreissen des Slabs Vrancea Gemessene Schwereanomalien Delamination Delamination zeigt die beste (großräumige) Übereinstimmung 40 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

41 Airy Isostasie Verdickung der Kruste Hebung
Verdickung des lith. Mantels Subsidenz Ausgangsmodell 41 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

42 Aufgaben Ausgangssituation: keine Isostasie
Freiluft- und Bougueranomalie skizzieren Was muss passieren, damit Isostasie herrscht?  Skizze Ergebnisse präsentieren (nächste Stunde !!) 20 min. 42 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

43 Zusammenfassung Variationen der Schwere mit dem Breitengrad  Normalschwere g0 Geoid, -undulationen Topographie  Freiluft- / Bouguerkorrektur: an Land: gF = 0.308·h gB = 0.112·h überm Meer: gF = 0 (h=0) gB = ·hw Freiluft-Anomalie  Isostasie (Flexur, ...): ∆gF = gbeob+ gF - g0 Bouguer-Anomalie  Mohotiefe (Beckentiefe, ...): ∆gB = ∆gF - gB Einflußfaktoren: - Tiefe - Größe - Dichtekontrast Randeffekt  FAA ≠ 0, trotz Isostasie 43 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

44 Aufgabe (1) (1) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Verdickung der Kruste um 30 km. 44 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

45 Aufgabe (2) (2) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lith. Mantel, 50 km Asthenosphäre Problem: Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km. 45 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

46 Aufgabe (3) (3) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km. 46 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

47 Aufgabe (4) (4) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Wasserfüllung im Becken. ρWasser = 1030 kg/m3 47 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

48 Aufgabe (5) (5) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Sedimentfüllung im Becken. ρSediment = 2400 kg/m3 48 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

49 Aufgabe (6) (6) Ausgangssituation: 6 km Kruste, 6 km lith. Mantel, 70 km Asthenosphäre Problem: Verdickung des lithosphärischen Mantels auf 60 km; Wasserbedeckung. ρWasser = 1030 kg/m3 49 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

50 Aufgabe (7) (7) Ausgangssituation: auf 70 km verdickte Kruste, davon 5 km Topographie, 35 km lith. Mantel. Problem: Erosion der gesamten Topographie. 50 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

51 Aufgabe (8) (8) Ausgangssituation: 4.8 km Topographie, 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Tiefe der Moho (wieviele km Krustenwurzel sind nötig?). 51 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

52 Aufgabe (9) (9) Ausgangssituation: 6 km Topographie umgeben von Wasser, 6 km Kruste, 50 km lith. Mantel. Problem: Tiefe der Moho (wieviele km Krustenwurzel sind nötig?). 52 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner