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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 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 Schwerefeld (2) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

3 3 Wiederholung (1) Geographische Breite ( φ ) Topographische Höhe ( R) Verteilung der Massen in der Erde (M) Faktoren, die das Schwerefeld beeinflussen: für geographische Breite Normalschwere g 0 für topographische Höhe Freiluft- / Bouguerschwere Korrekturen: Topographie wird bezüglich Geoid gemessen Geoidundulationen beachten!

4 4 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Wiederholung (2) Strobach (1991): Unser Planet Erde Freiluft- anomalie (FAA) Bouguer- anomalie (BA) Korrektur für topographische Höhe: g F [mGal] = 0.308·h [m] g B [mGal] = 0.112·h [m] g B [mGal] = -0.0687·h [m] Korrektur für die Masse zwischen Meßpunkt und Referenzniveau: An Land: Überm Meer: g F = g beob + g F - g 0 g B = g F - g B

5 5 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Wiederholung (3) Freiluft- anomalie (FAA) Information über Isostasie (FAA = 0 bei Isostasie, aber: Einfluß von Flexur, etc.) Information über Mohotiefe (z.B. BA < 0 bei Krustenwurzel aber: Einfluß von Beckensedimenten, etc.) Strobach (1991): Unser Planet Erde Isostatische Schwere Topographische Massen so verteilen, dass Anomalien minimal werden. Bouguer- anomalie (BA)

6 6 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Wiederholung (4) Tiefe (z) Größe (R) Dichtekontrast ( ρ) Einflußfaktoren: Moores, R.J. & Twiss, E.M. (1995): Tectonics. Amplitude abhängig von Massenanomalie (ρ·h) Gradient abhängig von mittlerer Tiefe (z)

7 7 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Wiederholung (5) Unterschiedliche Tiefen von Topographie und Krustenwurzel Randeffekt Positive Fläche = Negative Fläche Isostasie

8 8 Aufgaben Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Ausgangssituation: keine Isostasie Freiluft- und Bougueranomalie skizzieren Was muss passieren, damit Isostasie herrscht? Skizze Freiluft- und Bougueranomalie skizzieren Ergebnisse an der Tafel präsentieren 10 min.

9 Aufgabe (1) 9 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner (1) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Verdickung der Kruste um 30 km.

10 (2) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lith. Mantel, 50 km Asthenosphäre Problem: Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km. Aufgabe (2) 10 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

11 (3) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km. Aufgabe (3) 11 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

12 (4) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Wasserfüllung im Becken. Aufgabe (4) 12 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner ρ Wasser = 1030 kg/m 3

13 (5) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km; Sedimentfüllung im Becken. Aufgabe (5) 13 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner ρ Sediment = 2400 kg/m 3

14 (6) Ausgangssituation: 6 km Kruste, 6 km lith. Mantel, 70 km Asthenosphäre Problem: Verdickung des lithosphärischen Mantels auf 60 km; Wasserbedeckung. Aufgabe (6) 14 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner ρ Wasser = 1030 kg/m 3

15 (7) Ausgangssituation: auf 70 km verdickte Kruste, davon 5 km Topographie, 35 km lith. Mantel. Problem: Erosion der gesamten Topographie. Aufgabe (7) 15 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

16 (8) Ausgangssituation: 4.8 km Topographie, 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Tiefe der Moho (wieviele km Krustenwurzel sind nötig?). Aufgabe (8) 16 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

17 (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) 17 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

18 Schwereanomalien ? Subduktionszone (1) 18 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Falsche Kurve

19 Subduktionszone (2) 19 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner reines Abtauchmodell, andere Prozesse fehlen (z.B. Vulkanismus heisses, weniger dichtes Material steigt auf, ev. Krustenverdickung)

20 Subduktionszone (3) 20 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Bougueranomalie: Freiluftanomalie: breite positive Bouguer- und Freiluft-Anomalie durch schweren subduzierten lithosphärischen Mantel negative Werte durch Becken positive Werte durch Auffüllen der Wasserbecken mit Krustenmaterial

21 Einfluß des Abtauchwinkels 21 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

22 22 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Kraton Isostasie, keine Topographie FAA = 0, BA = 0 Dichteunterschied relativ zu über- lagernder Schicht

23 23 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Kontinentales Rift aufsteigende heiße (leichte) Asthenosphäre BA < 0 aktives Rifting: aufsteigende Asthenosphäre ( Hebung) treibt Kontinent auseinander (passives Rifting: ausgelöst durch horizontale Dehnung, z.B. im Backarc-Bereich Subsidenz)

24 24 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Mittelozeanischer Rücken aufsteigende Asthenosphäre BA < 0 Ozean mit Kruste gefüllt BA >> 0

25 25 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Gebirge verdickte Kruste BA < 0 ehemals vorhandene Mantelwurzel ist bereits thermisch equilibriert horizontale Lith/Asth-Grenze

26 Schwere- anomalie? Moores, R.J. & Twiss, E.M. (1995): Tectonics. 26 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Schwereanomalien an Störungen Basement mit höherer Dichte Einzelne Lage mit höherer Dichte ρ1ρ1 ρ 2 > ρ 1 ρ1ρ1 ρ1ρ1 Seiten- verschiebung Aufschiebung Abschiebung

27 27 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Rechenaufgabe Gegeben : Breite: 48.1195° N Länge: 12.1878° E Höhe: 487.9 m NN Gemessene Schwere: 980,717.39 mGal Gesucht : Normalschwere Freiluftkorrektur Bouguerkorrektur Freiluftanomalie Bougueranomalie 5 min.

28 28 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Rechenaufgabe Gegeben : Breite: 48.1195° N Länge: 12.1878° E Höhe: 487.9 m NN Gemessene Schwere: 980,717.39 mGal Gesucht : Normalschwere: g 0 = g e ·(1+ 0.005278895·sin 2 φ + 0.000023462·sin 4 φ ) g e = 978,031.85 mGal (Schwere am Äquator) φ : geographische Breite g 0 = 980,900.91 mGal

29 29 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Rechenaufgabe Gegeben : Breite: 48.1195° N Länge: 12.1878° E Höhe: 487.9 m NN Gemessene Schwere: 980,717.39 mGal Gesucht : Normalschwere: Freiluftkorrektur: Bouguerkorrektur: g F [mGal] = 0.308·h [m] g B [mGal] = 0.112·h [m] g 0 = 980,900.91 mGal g F = 150.27 mGal g B = 54.64 mGal

30 30 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Rechenaufgabe Gegeben : Breite: 48.1195° N Länge: 12.1878° E Höhe: 487.9 m NN Gemessene Schwere: 980,717.39 mGal Gesucht : Normalschwere: Freiluftkorrektur: Bouguerkorrektur: Freiluftanomalie: Bougueranomalie: g 0 = 980,900.91 mGal g F = 150.27 mGal g B = 54.64 mGal g F = g beob + g F - g 0 = -33.25 mGal g B = g F - g B = -87.89 mGal

31 31 Magnetfeld Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

32 32 Potentialfelder der Erde Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Schwerefeld Magnetfeld radialsymmetrisch weltweit ungefähr gleich gross Dipolfeld mit Nord- und Südpol Magnitude variiert um Faktor zwei

33 33 Erdmagnetfeld Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Rotationsachse Dipolachse Inklination: Winkel zwischen Magnetfeldlinie und Erdoberfläche Deklination: Abweichung der Kompassnadel (magnetisch Nord) von der geographischen Nordrichtung Magnetischer Nordpol wandert derzeit mit 90 m/Tag bzw. 30 km/Jahr (Säkularvariation) 11°

34 34 Erdmagnetfeld Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Rotationsachse Dipolachse Inklination: Winkel zwischen Magnetfeldlinie und Erdoberfläche Deklination: Abweichung der Kompassnadel (magnetisch Nord) von der geographischen Nordrichtung Magnetischer Nordpol wandert derzeit mit 90 m/Tag bzw. 30 km/Jahr (Säkularvariation)

35 35 Ursache Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Konvektionsströme im äußeren Erdkern: besteht großteils aus flüssigem Eisen elektrisch leitfähig + schwaches Ausgangsmagnetfeld Induktion (Geodynamo)

36 36 Magnetische Flussdichte Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner B = M ·R -3 ·(1+3·sin 2 φ ) ½ M: Dipolmoment; 7.734 ·10 24 nT·m 3 R: Abstand (Erdradius) φ : magnetische Breite Am Äquator: B = 30,000 nT Am Pol:B = 60,000 nT Einheiten: Tesla:1 T = 1 kg ·A -1 ·s -2 = 1 V·s·m -2 Gauß:1 Gs = 10 -4 T Gamma:1 γ = 10 -9 T = 1 nT tan i = 2 ·tan φ Inklination i:

37 37 Magnetismus von Festkörpern Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Diamagnetismus: Abschwächung des Magnetfeldes einer Substanz Paramagnetismus: Verstärkung des Magnetfeldes einer Substanz durch Ausrichten des inneren Magnetfeldes parallel zum äußeren. Verschwindet nach Entfernen des äußeren Feldes. Ferromagnetismus (normaler Magnetismus) : Bereiche mit parallel ausgerichteten magnetischen Teilchen (Weissche Bezirke) Gleichrichtung durch äußeres Magnetfeld. Verschwindet erst nach Erhitzen über Curie-Temperatur T c.

38 38 Magnetisierbarkeit Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner (Magnetische Suszeptibilität) M = χ m ·H M:Magnetisierung χ m :magnetische Suszeptibilität H:magnetische Feldstärke Diamagnetismus: χ m = –10 -5 Paramagnetismus: χ m = +10 -4 Ferromagnetismus: χ m = +10 -1 (z.B. Magnetit: Fe 3 O 4 ; T c 580°C) Gestein/Mineral χm χm Sediment 0 - 5·10 -4 Granit 10 -5 - 10 -2 Basalt, Gabbro 1.5·10 -3 - 9·10 -2 Magnetkies 10 -3 - 10 -1 Hämatit 4.2·10 -4 - 10 -2 Magnetit 3 - 15

39 39 Thermoremanente Magnetisierung (TRM) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Flüssige Lava: magnetisierte Minerale richten sich parallel zum Erdmagnetfeld aus. Abkühlung unter Curie-Temperatur Einfrieren der Magnetisierung

40 40 Sedimentationsmagnetisierung Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner (detrital remanent magnetization, DRM) Magnetitkörner werden eingeregelt sedimentiert (langsame Sedimentation nötig) Vorsicht: längliche Körner können durch Fließrichtung eingeregelt werden

41 41 Magnetostratigraphie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Umpolungsmuster des Ozeanbodens charakteristische Abfolge für bestimmte Zeitabschnitte: Referenzmuster für Vergleich mit Mustern aus Gesteinen unbekannten Alters (Vasiliev et al., 2005) GPTS: Geomagnetic Polarity Time Scale EC/SC: Alterseinteilung in den Ost-/Südkarpaten MED: Zeitskala für den Mittelmeerraum

42 42 Paläomagnetismus (1) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Inklination (Neigung gegen die Horizontale) Breitenlage der Probe Deklination (Abweichung von Nordrichtung) Rotation um vertikale Achse Aber: Polwanderung Magnetischer Pol zur Zeit der Ablagerung dient als Referenzpol

43 43 Paläomagnetismus (2) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Benötigte Daten: Inklination & Deklination Alter des Gesteins Referenzpol Koordinaten der Probenlokalität Schichtfallen Rückrotation, Faltentest

44 44 Test tektonischer Modelle Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner gemessene paläo- magnetische Richtungen postulierte paläo- magnetische Richtung (Dupont-Nivet et al., 2003)

45 45 Zeitliche Entwicklung Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner (Thöny et al., 2006) stable Europe Rotation im Oligozän - M.Miozän Rotation im U.Miozän - Pliozän stable Adria

46 46 Nachweis von Plattenbewegungen (1) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Paläomagnetismus Nicolas, A. (1995): Die ozeanischen Rücken.

47 47 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Nachweis von Plattenbewegungen (2) Paläomagnetismus Geodätische Methoden (z.B. GPS, VLBI) (Wang et al., 2001)

48 48 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Nachweis von Plattenbewegungen (3) Paläomagnetismus Geodätische Methoden (z.B. GPS, VLBI) Hot Spots (z.B. Hawaii-Kette)

49 49 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Nachweis von Plattenbewegungen (4) Strobach, K. (1990): Vom Urknall zur Erde. Tropische Baumfarne +Tropisches und subtropisches Gehölz Krautfarne der subpolaren Regenzone Paläomagnetismus Geodätische Methoden (z.B. GPS, VLBI) Hot Spots (z.B. Hawaii-Kette) Paläoklimatologie (z.B. Vereisungsspuren, tropische Pflanzen)

50 50 Pro & Contra Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Paläomagnetismus Geodätische Methoden (z.B. GPS, VLBI) Hot Spots (z.B. Hawaii-Kette) Paläoklimatologie (z.B. Vereisungsspuren, tropische Pflanzen) 15 min.

51 51 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Zusammenfassung (1) Schwerefeld Subduktionszone Kontinentales Rift Mittelozeanischer Rücken Gebirge an Störungen

52 52 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner Zusammenfassung (2) Erdmagnetfeld: Ursache, Einheiten Magnetisierbarkeit (magn. Suszeptibilität) Thermoremanente / Sedimentations-Magnetisierung Magnetostratigraphie Paläomagnetismus (N-S Bewegung, Rotation) Nachweis von Plattenbewegungen (Pro & Contra)


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