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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 Wiederholung Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , Blanka Sperner

4 4 Isostasie = Gleichstand (griech.) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Strobach, K. (1991): Unser Planet Erde Schwimmgleichgewicht unterschiedliche Dichte unterschiedliche Dicke

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

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

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

8 8 Isostatische Modelle (4)

9 9 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , Blanka Sperner Airy Isostasie

11 11 Berechnung der Vertikalbewegung Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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), , 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·( )/(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), , 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), , 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·( )/(-3150) = km Δh 0 = 1/63 · Δh LM Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km

16 16 Aufgabe (2a) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , Blanka Sperner

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

19 19 Aufgabe (3) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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) = 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), , Blanka Sperner Ausdünnung der Kruste um 24 km Tektonische Grabenstrukturen (Beispiel Oberrheingraben)

21 21 Aufgabe (4) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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·( )/( ) = 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), , 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), , 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·( )/( ) = 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), , 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 = · Δh C (mit Wasserfüllung) Δh S = 0.5 · Δh C (mit Sedimentfüllung) 25 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Δh 0 = · 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 ) 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), , 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·( )/( ) = 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), , 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), , 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) = 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), , 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), , 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), , 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), , Blanka Sperner

33 33 Aufgabe (8) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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)/( ) = 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), , 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), , 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·( )/( ) = 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), , 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), , 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), , 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), , Blanka Sperner

40 40 Flexural bulge Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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, Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

47 Molnar, P.: Das Fundament der Gebirge. - Spektrum der Wissenschaft, Pratt Airy Vening-Meinesz 47 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , Blanka Sperner Zusammenfassung (2) Isostasie & kontinentale Tektonik

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

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

51 51 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

52 Aufgabe (1) 52 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , Blanka Sperner ρ Wasser = 1030 kg/m 3


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