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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 Schwerefeld (2) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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] = ·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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , Blanka Sperner

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

19 Subduktionszone (2) 19 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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), , Blanka Sperner

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

23 23 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , Blanka Sperner Mittelozeanischer Rücken aufsteigende Asthenosphäre BA < 0 Ozean mit Kruste gefüllt BA >> 0

25 25 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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), , Blanka Sperner Rechenaufgabe Gegeben : Breite: ° N Länge: ° E Höhe: m NN Gemessene Schwere: 980, mGal Gesucht : Normalschwere Freiluftkorrektur Bouguerkorrektur Freiluftanomalie Bougueranomalie 5 min.

28 28 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner Rechenaufgabe Gegeben : Breite: ° N Länge: ° E Höhe: m NN Gemessene Schwere: 980, mGal Gesucht : Normalschwere: g 0 = g e ·( ·sin 2 φ ·sin 4 φ ) g e = 978, mGal (Schwere am Äquator) φ : geographische Breite g 0 = 980, mGal

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

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

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

32 32 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

33 33 Erdmagnetfeld Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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), , 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), , Blanka Sperner B = M ·R -3 ·(1+3·sin 2 φ ) ½ M: Dipolmoment; ·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 = T Gamma:1 γ = T = 1 nT tan i = 2 ·tan φ Inklination i:

37 37 Magnetismus von Festkörpern Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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 = Ferromagnetismus: χ m = (z.B. Magnetit: Fe 3 O 4 ; T c 580°C) Gestein/Mineral χm χm Sediment 0 - 5·10 -4 Granit Basalt, Gabbro 1.5· ·10 -2 Magnetkies Hämatit 4.2· Magnetit

39 39 Thermoremanente Magnetisierung (TRM) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , 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), , Blanka Sperner Paläomagnetismus Nicolas, A. (1995): Die ozeanischen Rücken.

47 47 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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), , 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), , 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), , 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), , Blanka Sperner Zusammenfassung (1) Schwerefeld Subduktionszone Kontinentales Rift Mittelozeanischer Rücken Gebirge an Störungen

52 52 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , 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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