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VL Geodynamik & Tektonik, WS 080903.12.2008 Konvektion im Erdmantel (II) Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam.

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1 VL Geodynamik & Tektonik, WS Konvektion im Erdmantel (II) Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam

2 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Übersicht zur Vorlesung

3 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Übergang zu einer kontinuumsmechanischenBeschreibung

4 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

5 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

6 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

7 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

8 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

9 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

10 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

11 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

12 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

13 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

14 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

15 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Abschätzung von tektonischen Kräften ridge-push vs. slab-pull ~ Nm -1 ~ Nm -1

16 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Was passiert, wenn die Viskosität in der Erde mit der Tiefe abnimmt ?

17 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Was passiert, wenn die Viskosität in der Erde mit der Tiefe abnimmt ?

18 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Plattentektonik auf der Venus stagnant lid

19 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Lithosphäre stagnant lid

20 VL Geodynamik & Tektonik, WS > Kruste Was versteht man unter der Lithosphäre ?

21 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Plate Motion Calculator gelbe Vektoren: Nuvel-1A NNR Geschwindigkeiten violette Vektoren: GPS Geschwindigkeiten

22 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Plattentektonik 3 Typen von Plattengrenzen OzeaneKontinente

23 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Ozeane

24 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Eigenschaften der ozeanische Lithosphäre Kruste aus Teilschmelzen des oberen Mantels gebildet Krustenmächtigkeit ~ 7 km an MOR Mächtigkeit und Dichte nehmen mit dem Alter zu enthält kaum radioaktive Elemente Festigkeit Mantellithosphäre wird durch Olivin bestimmt Mantellithosphäre enthält kaum Wasser

25 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Kontinente

26 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Eigenschaften der kontinentalen Lithosphäre Kruste hochdifferenziert Moho in km Tiefe hoher Gehalt radioakt. Elemente Gesamtmächtigkeit der Lithosphäre: km %

27 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Die kontinentale Kruste besteht generell aus zwei Schichten (layers) Obere Kruste (granodiorite) Untere Kruste (granulite) i.e. basaltic composition Begriffe werden oft unscharf verwendet, grosse Variabilität Aufbau kontinentaler Kruste

28 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Auswirkungen auf die Plattengrenzen Konvergenz von ozeanischer Lithosphäre führt zu Subduktion oder Obduktion Konvergenz von kontinentaler Lithosphäre führt zu Kollision Begriff der Tektosphäre

29 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Mögliche Charakterisierungen der Lithosphäre seismisch thermisch mechanisch physikalisch } chemisch

30 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Seismische Charakterisierung an der Moho Anstieg der seismischen Wellen- geschwindigkeit auf ~ 8 km/s Zunahme von v p mit der Tiefe ca km/sec pro km (vgl. Birchs law) Untergrenze bildet Asthenosphäre als low velocity zone (LVZ), seismische Wellen werden gedämpft

31 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 MOHO Tiefe in Europa

32 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Vergleich zw. Kontinent - Ozean Fowler 1990

33 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Dämpfung seismischer Wellen Condie 2005 low velocity zone

34 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Seismizität: Intraplattenbeben Stein & Stein 1996

35 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Double Seismic Zone (DSZ) Abers 1996 trench

36 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Double Seismic Zone (DSZ) Mögliche Ursachen Spannungen mit gegensätzlichem Vorzeichen Basalt -> Eklogit Transformation duktile Instabilitäten

37 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Definition der Lithosphäre II Stein & Stein 1996

38 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Thermische Charakterisierung Unterseite der Lithosphäre 1200 ˚C / 1300 ˚C Isotherme (lithosphere base temperature) dort Wechsel im Wärmetransportmechanismus: Konduktion (Lithosphäre) => Konvektion (Mantel) thermische Struktur kontrolliert Wärmefluss, Dichte, Schwerefeld, seismische Geschwindigkeit & Dämpfung Temperatur an der Moho variiert stark, je nach Tektonik 300 ˚C bis 800 ˚C möglich

39 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Ozeanische Lithosphäre als thermische Grenzschicht Stein & Stein 1996

40 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Vergleich von Abkühlungsmodellen Stein & Stein 1996 HS - half space cooling model PSM - plate cooling model, Parsons, Sclater & McKenzie 1977 GDH1 - dünnere Lithosphäre mit höherer Basaltemperatur, Stein & Stein 1996 thermal equilibrium at ~ 70 Myr.

41 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Thermische Struktur der ozeanischen Lithosphäre Stein & Stein 1996 GDH1 Modell

42 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

43 Mechanische Charakterisierung durch Rheologie der Gesteine rigide Lithosphärenplatten Berechnung der Biegesteifigkeit bzw. Flexurisostasie

44 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Kearey & Vine 1990 Schematische Darstellung der Festigkeit ozeanische vs. kontinentale Lithosphäre

45 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Prinzip der Isostasie Zwischen den unterschiedlichen Krustentypen und Krustenmächtigkeiten muss oberhalb einer Kompensationstiefe ein mechanisches Gleichgewicht auf der geologischen Zeitskala herrschen (entsprechend dem Archimedes Prinzip).

46 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Es gibt 2 Möglichkeiten für den isostatischen Ausgleich

47 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Pratt vs. Airy model Higher mountains are compensated by deeper roots The weight of all columns above the compensation depth are equal

48 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Biegesteifigkeit / Flexurisostasie Aber: benachbarte lithosphärische Blöcke sind mechanisch (visko-elastisch) gekoppelt !

49 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Kopplung elastischer, spröder und viskoser Modelle Schematic diagram showing the bending stresses that develop in (a)An elastic plate (b)A plate whose strength is limited by brittle deformation in its upper part and ductile flow in its lower part Watts 2001

50 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Beispiel für zeitlichen Verlauf eines isostatischen Ausgleichs

51 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Flexurgleichung z max = h ( s - w ) (1-e - a cos( a))/( m - s ) ( m - s ) g / 4D} 1/4 zunehmende Biegesteifigkeit: z max => 0 abnehmende Biegesteifigkeit: Isostatisches GG z max => h ( s - w )/( m - s ) wave number elastische Dicke

52 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Vergleich verschiedener Biegesteifigkeiten zum Vergleich Stahl ~ 10 6 Nm

53 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Beispielrechnungen für die elastische Schwelle Kearey & Vine 1990

54 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Beispielrechnungen für die elastische Dicke D ~ Nm aus Geländeaufschluss, E ~ 70 GPa aus Labormessungen, ~ 0.25 ergibt eine elastische Dicke von T ~ 25 km für eine Halbbreite der Depression von 150 km bzw. = 64 km (Fowler 1990, Seite 182). Fowler 1990

55 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Elastische Dicken % ozeanische Lithosphäre: bis zu ~ 40 km kontinentale Lithosphöre: bis zu ~ 100 km in tektonisch aktiven Gebieten geringe elastische Dicken von bis zu ~ 4 km möglich !

56 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Krustenelevationen Venus Erde relativ zu 6051 km Radius relativ zur Meeresoberfläche % %

57 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Mars Elevation (m)

58 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Krustenelevationen nur die Erde und ansatzweise der Mars zeigen bimodale Krustenelevationen; die anderen terrestrischen Planeten (Venus, Merkur, auch der Mond) haben nur eine unimodale Krustenelevation grundlegend andere tektonische Prozesse ?

59 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809 Referenzen Global Tectonics, Global Tectonics, P. Kearey & F.J. Vine, 1990 The Solid Earth, The Solid Earth, C.M.R. Fowler, 1990 Thermo-mechanical Evolution of Oceanic Lithosphere: Implications for the Subduction Process and Deep Earthquakes, Thermo-mechanical Evolution of Oceanic Lithosphere: Implications for the Subduction Process and Deep Earthquakes, Seth Stein & Carol A. Stein, 1996 Plate Structure and the Origin of Double Seismic Zones, Plate Structure and the Origin of Double Seismic Zones, G. A. Abers, 1996 Isostacy and Flexure of the Lithosphere Isostacy and Flexure of the Lithosphere, A.B. Watts, 2001 Geodynamik der Lithosphäre, Geodynamik der Lithosphäre, Kurt Stüwe, 2002 Earth as an Evolving Planetary System Earth as an Evolving Planetary System, K.C. Condie, 2005

60 VL Geodynamik & Tektonik, WS Zusammenfassung Die Konvektion im Erdmantel führt infolge der Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Mantelgestein zur Herausbildung einer relative starren und rigiden oberen thermischen Grenzschicht, der Lithosphäre. Die Lithosphäre der Erde setzt sich aus verschiedenen lithosphärischen Platten zusammmen, die jeweils voneinander durch rheologische Schwächezonen getrennt sind. Die gegenseitigen Verschiebungen dieser Platten im Ergebnis der wirkenden geodynamischen Kräfte führt Plattentektonik zu der an der Erdoberfläche sichtbaren Plattentektonik.


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