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 Wiederholung Wärmequellen: Wärmetransfer: q = k (T/z)
Restwärme radioaktiver Zerfall - (Sonne) Wärmequellen: Konduktion Konvektion / Advektion - (Strahlung) Wärmetransfer: Wärmeflußgleichung: q = k (T/z) k: Konduktivität (Wärmeleitfähigkeit) T/z: geothermischer Gradient Mittelozeanischer Rücken (Atlantik) Subduktion (S-Amerika, Japan) - Kollision (Alpen, Tibet) Wärmefluß & Tektonik: 2 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

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

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

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

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

8 Isostatische Modelle (4)
8 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

9 Isostatische Modelle (5)
p = const. Σ ρi·hi = const. (bez. Einheitsfläche) p = const. Σ ∆mi = 0 9 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

10 Airy Isostasie Verdickung der Kruste Hebung Ausgangsmodell
Verdickung des lith. Mantels Subsidenz Ausgangsmodell 10 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

11 Berechnung der Vertikalbewegung
Isostasiebedingung: Σ ∆mi = ΔmC + ΔmM = 0 Beispiel Krustenverdickung Δh0 ΔhC ΔmC < 0 ΔmM > 0 Massedefizit muss durch Hebung ausge-glichen werden, damit Mantelmaterial von unten nachfließen kann: Schweres Mantelmaterial wird durch leichteres Krustenmaterial ersetzt: ΔmC < 0 ΔmM > 0 ΔmC =ΔhC·(ρC - ρM)·A ΔmM = Δh0·(ρM - ρLuft)·A = Δh0·(ρM)·A A: Fläche (kürzt sich raus) Δh0 = -ΔhC· (ρC - ρM)/(ρM) 11 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

12 Aufgaben Siehe Aufgabenblätter Skizze anfertigen
Vertikalbewegung bzw. Mohotiefe berechnen Beispiele? Ergebnis (Skizze & Rechnung) präsentieren 10 min. 12 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

13 Hebung, damit Mantelmasse von unten nachfließen kann:
Aufgabe (1) ΔmC < 0 Δh0 Verdickung der Kruste um 30 km Hebung, damit Mantelmasse von unten nachfließen kann: ΔmM = -ΔmC Δh0·(ρM) = -ΔhC·(ρC - ρM) Δh0 = -ΔhC·(ρC - ρM)/(ρM) = -30 km·( )/(3200) = km Δh0 = 1/8 · ΔhC 13 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

15 Aufgabe (2) Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km Δh0 15
Subsidenz, damit Asthenosphären-masse nach unten wegfließen kann: ΔmL = -ΔmLM Δh0·(ρL -ρA) = -ΔhLM·(ρLM - ρA) Δh0 = -ΔhLM·(ρLM - ρA)/(-ρA) = -30 km·( )/(-3150) = km Δh0 = 1/63 · ΔhLM 15 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

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

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

19 Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann
Aufgabe (3) ΔmL = -ΔmM Ausdünnung der Kruste um 24 km Δh0·(ρL - ρM) = -ΔhM·(ρM - ρC) Δh0 = 1/8 · ΔhC Δh0 = -ΔhC·(ρM - ρC)/(-ρM) = -24 km·( )/(-3200) = 3.0 km ΔhO Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 19 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

21 Aufgabe (4) Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Wasserfüllung im Becken (ρW=1030 kg/m3) ΔmW = -ΔmC ΔhW = 1/5.4 · ΔhC ΔhW·(ρW - ρM) = -ΔhC·(ρM - ρC) ΔhW = -ΔhC·(ρM - ρC)/(ρW - ρM) = -24 km·( )/( ) = 4.4 km ΔhW Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 21 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

22 Aufgabe (4a) Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Wasserfüllung im Becken (ρW=1030 kg/m3) ΔhW = 4.4 km ΔhW entspricht der Meeres-tiefe der Tiefseebecken 22 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

23 Aufgabe (5) Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Sedimentfüllung im Becken (ρS=2400 kg/m3) ΔmS = -ΔmC ΔhS = 0.5 · ΔhC ΔhS·(ρS - ρM) = -ΔhC·(ρM - ρC) ΔhS = -ΔhC·(ρM - ρC)/(ρS - ρM) = -24 km·( )/( ) = 12 km ΔhS Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 23 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

24 Aufgabe (5a) Backarc-Becken Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Sedimentfüllung im Becken (ρS=2400 kg/m3) Cloetingh et al. (2005) Backarc-Becken (Beispiel: Pannonisches Becken) 24 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

25 Betrag der Subsidenz maßgeblich von Dichte der Beckenfüllung abhängig:
Krustenausdünnung ΔmC > 0 Betrag der Subsidenz maßgeblich von Dichte der Beckenfüllung abhängig: ΔhB = -ΔhC·(ρM - ρC)/(ρB - ρM) = 24 km · 400/(ρB ) Δh0 = · ΔhC (mit Luftfüllung) ΔhW = · ΔhC (mit Wasserfüllung) ΔhS = 0.5 · ΔhC (mit Sedimentfüllung) Δh0 = 3.0 km ΔhW = 4.4 km ΔhS = 12.0 km (Kruste unter kontinentalen Becken hat meist größere Mächtigkeit als die gezeigten 6 km) 25 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

26 Subsidenz, damit Asthenosphären-masse nach unten wegfließen kann:
Aufgabe (6) ΔhW Verdickung des lithos. Mantels auf 60 km; Wasserbedeckung (ρW=1030 kg/m3) Subsidenz, damit Asthenosphären-masse nach unten wegfließen kann: ΔmW = -ΔmLM ΔhW·(ρW - ρA) = -ΔhLM·(ρLM - ρA) ΔhW = -ΔhLM·(ρLM - ρA)/(ρW - ρA) = -54 km·( )/( ) = km ΔhO = 1/42.4 · ΔhLM 26 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

27 Aufgabe (6a) Ozeanische Lithosphäre (Beispiel Atlantik)
Absinken der ozeanischen Lithosphäre aufgrund von Abkühlung und Verdickung Frisch, W. & Loeschke, J. (1993): Plattentektonik Ozeanische Lithosphäre (Beispiel Atlantik) 27 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

28 Aufgabe (7) Erosion von ursprünglich 5.0 km Topographie Δho 28
Hebung, damit Mantelmasse von unten nachfließen kann: ΔmM = -ΔmT ΔhO·(ρM - ρL) = -ΔhT·(ρL - ρC) ΔhO = -ΔhT·(- ρC)/(ρM) = -5 km·(-2800)/(3200) = km ΔhO = 7/8 · ΔhT 28 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

30 Erosion & Hebung (1) Erosion → isostatische Hebung
(Keller & Pinter, 1996) Erosion → isostatische Hebung → Höhe (über NN) niedriger als vorher 30 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

31 Erosion & Hebung (2) lokale Erosion → isostatische Hebung
(Burbank & Anderson, 2001) lokale Erosion → isostatische Hebung → Gipfel höher als vorherige mittlere Höhe 31 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

32 Hebung vs. Exhumierung 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 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

33 Tiefe der Moho bei einer Topographie von 4.8 km
Aufgabe (8) Tiefe der Moho bei einer Topographie von 4.8 km Δho ΔmC = -ΔmT ΔhO·(ρC - ρM) = -ΔhT·(ρC - ρL) ΔhO = -ΔhT·(ρC)/(ρC - ρM) = -4.8 km·(2800)/( ) = km ΔhO = 7 · ΔhT 33 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

35 Krustenwurzel unter 6 km Topographie im Wasser
Aufgabe (9) Krustenwurzel unter 6 km Topographie im Wasser ΔhO ΔmC = -ΔmT ΔhO·(ρC - ρM) = -ΔhT·(ρC - ρW) ΔhO = -ΔhT·(ρC - ρW)/(ρC - ρM) = -6 km·( )/( ) = km ΔhO = 4.4 · ΔhLM 35 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

36 Krustenwurzel unter 6 km Topographie im Wasser
Aufgabe (9a) Krustenwurzel unter 6 km Topographie im Wasser Lokale Isostasie Watts, A.B. (2001): Isostasy and flexure of the lithosphere Regionale Isostasie (Flexur) Hawaii-Inseln (Hot Spot) 36 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

37 Lokale vs. regionale Isostasie
Isostatischer Ausgleich senkrecht unter Belastung (keinerlei Scherfestigkeit) Isostatischer Ausgleich verteilt sich auf größere Region Stüwe, K. (2000): Geodynamik der Lithosphäre. 37 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

38 Biegesteifigkeit (1) Je steifer die Platte, desto geringer die Biegung (d.h. desto größer die elastische Dicke) 38 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

40 Flexural bulge Flexuraufwölbung
Aufwölbung der Platte aufgrund ihrer Steifigkeit (je stärker die Flexur, desto größer die Aufwölbung) 40 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

41 Flexur & Tektonik Auslösende Kraft für Flexur:
Masseüberschuß in der Tiefe (subduzierte Platte) Masseüberschuß an der Oberfläche (Gebirge) 41 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

42 Kontinentale Kollision
Überschiebung der Oberplatte → Flexur der Unterplatte → Sedimentbecken im Vorland → Geometrie gibt Aufschluß über Biegesteifigkeit (Burbank & Anderson, 2001) 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

43 Kollision & Erosion Was passiert bei Erosion im Überschiebungsgürtel?
(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

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

45 Dynamische Isostasie Strömungen (~ Dichteunterschiede) produzieren ebenfalls Vertikalbewegungen Mantel-plume 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

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), , Blanka Sperner

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

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

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

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

51 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?). 51 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

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

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

55 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 55 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

56 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 56 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

57 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 57 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

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

60 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?). ρWasser = 1030 kg/m3 60 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner