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Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I 09599 Freiberg Tel. 0 37 31/39-3813 I Institut für Geologie Grundlagen.

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

2 2 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner p = const. Wiederholung (1) Σ ρ i · h i = const. (bez. Einheitsfläche) Σ m i = 0 Isostatische Modelle Lokale Isostasie

3 3 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Wiederholung (2) Isostasie & kontinentale Tektonik

4 4 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Wiederholung (3) Isostasie & ozeanische Tektonik

5 5 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Wiederholung (4) Isostasie & Lithosphärenstruktur

6 D: Steifigkeit (flexural rigidity) E: E-Modul (Youngs modulus) T e : effektive elastische Dicke (EET) ν: Poisson-Verhältnis q(x): vertikale Last ρ a : Dichte über der Platte ρ b : Dichte unter der Platte D: Steifigkeit (flexural rigidity) w: vertikale Auslenkung x: Abstand von der Last Biegesteifigkeit 6 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Wiederholung (5) Regionale Isostasie

7 7 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner p = const. Wiederholung (6) Σ ρ i · h i = const. (bez. Einheitsfläche) Σ m i = 0 Modelle der letzten Übungsstunde? Lokale Isostasie

8 8 Aufgaben Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner (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?). Dichten: Wasser: 1030 kg/m 3 Sediment:2400 kg/m 3 Kruste: 2800 kg/m 3 Lithos. Mantel: 3200 kg/m 3 Asthenosphäre:3150 kg/m 3

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

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

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

12 12 Gravitationskraft Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner F = G·m 1 ·m 2 / r 2 G: allgemeine Gravitationskonstante (6.67· Nm 2 /kg 2 ) F = m 1 ·a = G·m 1 ·m 2 / r 2 g = G·M E / R E m/s 2 g: Erdbeschleunigung M E : Masse der Erde R E : Radius der Erde 1 Gal = 1 cm/s 2 = 0.01 m/s 2 Einheit: (nach Galileo Galilei) (d.h. ungefähr ein Tausendstel der Erdbeschleunigung) 1 mGal = Gal = m/s 2 (d.h. ungefähr ein Millionstel der Erdbeschleunigung)

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

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

15 15 Äquator vs. Pol Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner 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)

16 16 Maßgebliche Faktoren Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Geographische Breite ( φ ) Topographische Höhe ( R) Verteilung der Massen in der Erde (M) Korrektur möglich g 0 = g e ·( ·sin 2 φ ·sin 4 φ ) g 0 :theoretische Gravitation für den Breitengrad des Meßpunktes [mGal] g e :theoretische Gravitation am Äquator [978, mGal] φ :Breitengrad des Meßpunktes [°] Korrektur für geographische Breite Normalschwere:

17 GFZ Potsdam 17 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Form der Erde

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

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

20 20 Geoidundulationen Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Geoidundulationen relativ zum Referenzellipsoid [m]

21 21 Freiluftkorrektur Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Korrektur für Unterschiede in der topographischen Höhe: g F [mGal] = 0.308·h [m] (Masse der Topographie bleibt unberücksichtigt)

22 22 Freiluftanomalie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Abweichung von der Normalschwere g 0 : g F = g beob + g F - g 0 Freiluftschwere: g F = g beob + g F (Free air anomaly, FAA) (= g F - g 0 )

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

24 24 Bouguerkorrektur Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Korrektur für die Masse zwischen Meßpunkt und Referenzniveau: g B [mGal] = 2·π·ρ·G·h = ·ρ [g/cm 3 ]·h [m] Bouguerplatte: Platte unendlicher Ausdehnung mit der Höhe h und der Dichte ρ

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

26 26 Bouguerkorrektur überm Meer Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner g B [mGal] = ·(ρ w -ρ c )·h w = ·h [m]

27 27 Bougueranomalie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Abweichung von der Normalschwere g 0 : g B = g F - g B Bouguerschwere: g B = g beob + g F - g B (Bouguer anomaly, BA) (= g B - g 0 )

28 28 Beispiel für FAA & BA Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner [mGal]

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

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

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

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

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

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

35 35 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner 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).

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

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

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

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

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

41 Verdickung der KrusteHebung Verdickung des lith. MantelsSubsidenz Ausgangsmodell 41 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Airy Isostasie

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

43 Variationen der Schwere mit dem Breitengrad Normalschwere g 0 Geoid, -undulationen Topographie Freiluft- / Bouguerkorrektur: an Land: g F =0.308·h g B =0.112·h überm Meer: g F =0 (h=0) g B = ·h w Freiluft-Anomalie Isostasie (Flexur,...): g F = g beob + g F - g 0 Bouguer-Anomalie Mohotiefe (Beckentiefe,...): g B = g F - g B Einflußfaktoren:- Tiefe - Größe - Dichtekontrast Randeffekt FAA 0, trotz Isostasie 43 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Zusammenfassung

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

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

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

47 (4) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Wasserfüllung im Becken. Aufgabe (4) 47 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner ρ Wasser = 1030 kg/m 3

48 (5) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Sedimentfüllung im Becken. Aufgabe (5) 48 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner ρ Sediment = 2400 kg/m 3

49 (6) Ausgangssituation: 6 km Kruste, 6 km lith. Mantel, 70 km Asthenosphäre Problem: Verdickung des lithosphärischen Mantels auf 60 km; Wasserbedeckung. Aufgabe (6) 49 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner ρ Wasser = 1030 kg/m 3

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

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

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


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