Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

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

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I 09599 Freiberg Tel. 0 37 31/39-3813 I Institut für Geologie Grundlagen."—  Präsentation transkript:

1 Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I 09599 Freiberg Tel. 0 37 31/39-3813 I blanka.sperner@geo.tu-freiberg.de Institut für Geologie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen) Blanka Sperner

2 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 3 Isostasie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

4 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 5 Isostatische Modelle (1) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Frisch, W. & Loeschke, J. (1993): Plattentektonik.

6 6 Isostatische Modelle (2) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

7 7 Isostatische Modelle (3) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

8 8 Isostatische Modelle (4)

9 9 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner p = const. Isostatische Modelle (5) Σ ρ i · h i = const. (bez. Einheitsfläche) Σ m i = 0

10 Verdickung der KrusteHebung Verdickung des lith. MantelsSubsidenz Ausgangsmodell 10 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Airy Isostasie

11 11 Berechnung der Vertikalbewegung Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δm M = Δh 0 ·(ρ M - ρ Luft ) ·A = Δh 0 ·(ρ M ) ·A Δh 0 = -Δh C · (ρ C - ρ M )/(ρ M ) Δh 0 Δm C < 0 Schweres Mantelmaterial wird durch leichteres Krustenmaterial ersetzt: Beispiel Krustenverdickung Δm C =Δh C ·(ρ C - ρ M )·A Δh C Massedefizit muss durch Hebung ausge- glichen werden, damit Mantelmaterial von unten nachfließen kann: Δm M > 0 Isostasiebedingung: Σ m i = Δm C + Δm M = 0 Δm M > 0 A: Fläche (kürzt sich raus)

12 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.

13 13 Aufgabe (1) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δm C < 0 Hebung, damit Mantelmasse von unten nachfließen kann: Δm M = -Δm C Δh 0 ·(ρ M ) = -Δh C ·(ρ C - ρ M ) Δh 0 = -Δh C ·(ρ C - ρ M )/(ρ M ) = -30 km·(2800 - 3200)/(3200) = 3.75 km Δh 0 = 1/8 · Δh C Verdickung der Kruste um 30 km Δh 0

14 14 Aufgabe (1a) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δm C < 0 Verdickung der Kruste um 30 km Kollisions- zone (Beispiel Alpen)

15 15 Aufgabe (2) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δh 0 Subsidenz, damit Asthenosphären- masse nach unten wegfließen kann: Δm L = -Δm LM Δh 0 ·(ρ L -ρ A ) = -Δh LM ·(ρ LM - ρ A ) Δh 0 = -Δh LM ·(ρ LM - ρ A )/(-ρ A ) = -30 km·(3200 - 3150)/(-3150) = 0.476 km Δh 0 = 1/63 · Δh LM Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km

16 16 Aufgabe (2a) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km Subduktionszone (Beispiel Anden)

17 Modellierung (1) Entwicklung einer Subduktions- / Kollisionszone (unter der Annahme lokaler Airy-Isostasie) 17 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

18 Modellierung (2) Beckenentwicklung aufgrund fortschreitender Subduktion 18 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

19 19 Aufgabe (3) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δm L = -Δm M Δh 0 ·(ρ L - ρ M ) = -Δh M ·(ρ M - ρ C ) Δh 0 = -Δh C ·(ρ M - ρ C )/(-ρ M ) = -24 km·(3200-2800)/(-3200) = 3.0 km Δh 0 = 1/8 · Δh C Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann Ausdünnung der Kruste um 24 km Δh O

20 20 Aufgabe (3a) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Ausdünnung der Kruste um 24 km Tektonische Grabenstrukturen (Beispiel Oberrheingraben)

21 21 Aufgabe (4) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann Δm W = -Δm C Δh W ·(ρ W - ρ M ) = -Δh C ·(ρ M - ρ C ) Δh W = -Δh C ·(ρ M - ρ C )/(ρ W - ρ M ) = -24 km·(3200-2800)/(1030-3200) = 4.4 km Δh W = 1/5.4 · Δh C Δh W Ausdünnung der Kruste um 24 km: Wasserfüllung im Becken (ρ W =1030 kg/m 3 )

22 22 Aufgabe (4a) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δh W = 4.4 km Ausdünnung der Kruste um 24 km: Wasserfüllung im Becken (ρ W =1030 kg/m 3 ) Δh W entspricht der Meeres- tiefe der Tiefseebecken

23 Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 23 Aufgabe (5) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δm S = -Δm C Δh S ·(ρ S - ρ M ) = -Δh C ·(ρ M - ρ C ) Δh S = -Δh C ·(ρ M - ρ C )/(ρ S - ρ M ) = -24 km·(3200-2800)/(2400-3200) = 12 km Δh S = 0.5 · Δh C Δh S Ausdünnung der Kruste um 24 km: Sedimentfüllung im Becken (ρ S =2400 kg/m 3 )

24 24 Aufgabe (5a) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Ausdünnung der Kruste um 24 km: Sedimentfüllung im Becken (ρ S =2400 kg/m 3 ) Cloetingh et al. (2005) Backarc-Becken (Beispiel: Pannonisches Becken)

25 Δm C > 0 Δh W = 0.185 · Δh C (mit Wasserfüllung) Δh S = 0.5 · Δh C (mit Sedimentfüllung) 25 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δh 0 = 0.125 · Δh C (mit Luftfüllung) Krustenausdünnung Betrag der Subsidenz maßgeblich von Dichte der Beckenfüllung abhängig: Δh B = -Δh C ·(ρ M - ρ C )/(ρ B - ρ M ) = 24 km · 400/(ρ B - 3200) Δh 0 = 3.0 kmΔh W = 4.4 kmΔh S = 12.0 km (Kruste unter kontinentalen Becken hat meist größere Mächtigkeit als die gezeigten 6 km)

26 26 Aufgabe (6) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Subsidenz, damit Asthenosphären- masse nach unten wegfließen kann: Δm W = -Δm LM Δh W ·(ρ W - ρ A ) = -Δh LM ·(ρ LM - ρ A ) Δh W = -Δh LM ·(ρ LM - ρ A )/(ρ W - ρ A ) = -54 km·(3200-3150)/(1030-3150) = 1.27 km Δh O = 1/42.4 · Δh LM Δh W Verdickung des lithos. Mantels auf 60 km; Wasserbedeckung (ρ W =1030 kg/m 3 )

27 27 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 28 Aufgabe (7) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Hebung, damit Mantelmasse von unten nachfließen kann: Δm M = -Δm T Δh O ·(ρ M - ρ L ) = -Δh T ·(ρ L - ρ C ) Δh O = -Δh T ·(- ρ C )/(ρ M ) = -5 km·(-2800)/(3200) = 4.375 km Δh O = 7/8 · Δh T Erosion von ursprünglich 5.0 km Topographie Δh o

29 29 Aufgabe (7a) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Erosion von ursprünglich 5.0 km Topographie Δh o Topographische Erhebungen (Alpen, Anden, Himalaja)

30 30 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 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

32 Geoid Surface uplift: Hebung der Erdoberfläche bez. Geoid Geoid Rock uplift: Hebung des Gesteins bez. Geoid Geoid Exhumation: 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 33 Aufgabe (8) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δm C = -Δm T Δh O ·(ρ C - ρ M ) = -Δh T ·(ρ C - ρ L ) Δh O = -Δh T ·(ρ C )/(ρ C - ρ M ) = -4.8 km·(2800)/(2800-3200) = 33.6 km Δh O = 7 · Δh T Tiefe der Moho bei einer Topographie von 4.8 km Δh o

34 34 Aufgabe (8a) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Tiefe der Moho bei einer Topographie von 4.8 km Δh o Braitenberg et al. (2000)

35 35 Aufgabe (9) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Δm C = -Δm T Δh O ·(ρ C - ρ M ) = -Δh T ·(ρ C - ρ W ) Δh O = -Δh T ·(ρ C - ρ W )/(ρ C - ρ M ) = -6 km·(2800-1030)/(2800-3200) = 26.55 km Δh O = 4.4 · Δh LM Krustenwurzel unter 6 km Topographie im Wasser Δh O

36 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) Lokale Isostasie Regionale Isostasie (Flexur) Watts, A.B. (2001): Isostasy and flexure of the lithosphere

37 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

38 38 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)

39 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 (2) 39 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

40 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 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:

42 (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! 42 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Kontinentale Kollision

43 (Burbank & Anderson, 2001) Erosion im Überschiebungsgürtel Hebung des Überschiebungsgürtels Flexur verringert sich (weniger Last) Verkippung der Vorlandsedimente 43 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Kollision & Erosion Was passiert bei Erosion im Überschiebungsgürtel?

44 Abschmelzen der Eismasse isostatische Hebung Hebungsrate Viskosität des Mantels Watts, A.B. (2001): Isostasy and flexure of the lithosphere. 44 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Isostasie & Mantelviskosität

45 Strobach, K. (1991): Unser Planet Erde - Ursprung und Dynamik. Entsprechendes gilt für abtauchende (schwere) Platten: Abwärtsbewegung induziert Sog an der Oberfläche 45 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Dynamische Isostasie Strömungen (~ Dichteunterschiede) produzieren ebenfalls Vertikalbewegungen Mantel- plume

46 Nicht immer ist es Isostasie... Hyndman, R.D.: Schwere Erdbeben nach langer seismischer Stille. - Spektrum der Wissenschaft, 2001 46 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

47 Molnar, P.: Das Fundament der Gebirge. - Spektrum der Wissenschaft, 1986. Pratt Airy Vening-Meinesz 47 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Zusammenfassung (1) Σ ρ i · h i = const. (bez. Einheitsfläche) Σ m i = 0 Isostatische Modelle

48 48 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Zusammenfassung (2) Isostasie & kontinentale Tektonik

49 49 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Zusammenfassung (3) Isostasie & ozeanische Tektonik

50 50 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner Zusammenfassung (4) Isostasie & Lithosphärenstruktur

51 51 Aufgaben Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, 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

52 Aufgabe (1) 52 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner (1) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Verdickung der Kruste um 30 km.

53 (2) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lith. Mantel, 50 km Asthenosphäre Problem: Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km. Aufgabe (2) 53 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

54 (3) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km. Aufgabe (3) 54 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

55 (4) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Wasserfüllung im Becken. Aufgabe (4) 55 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner ρ Wasser = 1030 kg/m 3

56 (5) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Sedimentfüllung im Becken. Aufgabe (5) 56 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner ρ Sediment = 2400 kg/m 3

57 (6) Ausgangssituation: 6 km Kruste, 6 km lith. Mantel, 70 km Asthenosphäre Problem: Verdickung des lithosphärischen Mantels auf 60 km; Wasserbedeckung. Aufgabe (6) 57 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner ρ Wasser = 1030 kg/m 3

58 (7) Ausgangssituation: auf 70 km verdickte Kruste, davon 5 km Topographie, 35 km lith. Mantel. Problem: Erosion der gesamten Topographie. Aufgabe (7) 58 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

59 (8) Ausgangssituation: 4.8 km Topographie, 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Tiefe der Moho (wieviele km Krustenwurzel sind nötig?). Aufgabe (8) 59 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

60 (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) 60 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner ρ Wasser = 1030 kg/m 3


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

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen