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 09599 Freiberg Tel. 0 37 31/39-3813 I blanka.sperner@geo.tu-freiberg.de

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), 28.04.08, Blanka Sperner

Isostasie 3 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Isostasie = Gleichstand (griech.) Schwimmgleichgewicht unterschiedliche Dichte unterschiedliche Dicke Strobach, K. (1991): Unser Planet Erde 4 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Isostatische Modelle (1) Frisch, W. & Loeschke, J. (1993): Plattentektonik. 5 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Isostatische Modelle (2) 6 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Isostatische Modelle (3) 7 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Isostatische Modelle (4) 8 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Isostatische Modelle (5) p = const. Σ ρi·hi = const. (bez. Einheitsfläche) p = const. Σ ∆mi = 0 9 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Airy Isostasie Verdickung der Kruste Hebung Ausgangsmodell Verdickung des lith. Mantels Subsidenz Ausgangsmodell 10 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

Aufgaben Siehe Aufgabenblätter Skizze anfertigen Vertikalbewegung bzw. Mohotiefe berechnen Beispiele? Ergebnis (Skizze & Rechnung) präsentieren 10 min. 12 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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·(2800 - 3200)/(3200) = 3.75 km Δh0 = 1/8 · ΔhC 13 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Aufgabe (1a) Kollisions-zone Verdickung der Kruste um 30 km ΔmC < 0 Kollisions-zone (Beispiel Alpen) 14 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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·(3200 - 3150)/(-3150) = 0.476 km Δh0 = 1/63 · ΔhLM 15 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Verdickung des lithosphärischen Aufgabe (2a) Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km Subduktionszone (Beispiel Anden) 16 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Modellierung (1) Entwicklung einer Subduktions- / Kollisionszone (unter der Annahme lokaler Airy-Isostasie) 17 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Beckenentwicklung aufgrund fortschreitender Subduktion Modellierung (2) Beckenentwicklung aufgrund fortschreitender Subduktion 18 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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·(3200-2800)/(-3200) = 3.0 km ΔhO Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 19 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Aufgabe (3a) Tektonische Grabenstrukturen Ausdünnung der Kruste um 24 km Tektonische Grabenstrukturen (Beispiel Oberrheingraben) 20 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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·(3200-2800)/(1030-3200) = 4.4 km ΔhW Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 21 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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·(3200-2800)/(2400-3200) = 12 km ΔhS Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 23 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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 - 3200) Δh0 = 0.125 · ΔhC (mit Luftfüllung) ΔhW = 0.185 · 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), 28.04.08, Blanka Sperner

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·(3200-3150)/(1030-3150) = 1.27 km ΔhO = 1/42.4 · ΔhLM 26 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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) = 4.375 km ΔhO = 7/8 · ΔhT 28 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Aufgabe (7a) Topographische Erhebungen Erosion von ursprünglich 5.0 km Topographie Δho Topographische Erhebungen (Alpen, Anden, Himalaja) 29 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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)/(2800-3200) = 33.6 km ΔhO = 7 · ΔhT 33 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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·(2800-1030)/(2800-3200) = 26.55 km ΔhO = 4.4 · ΔhLM 35 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

Biegesteifigkeit (1) Je steifer die Platte, desto geringer die Biegung (d.h. desto größer die elastische Dicke) 38 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

Flexural bulge Flexuraufwölbung Aufwölbung der Platte aufgrund ihrer Steifigkeit (je stärker die Flexur, desto größer die Aufwölbung) 40 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Flexur & Tektonik Auslösende Kraft für Flexur: Masseüberschuß in der Tiefe (subduzierte Platte) Masseüberschuß an der Oberfläche (Gebirge) 41 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

Zusammenfassung (2) Isostasie & kontinentale Tektonik 48 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Zusammenfassung (3) Isostasie & ozeanische Tektonik 49 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Zusammenfassung (4) Isostasie & Lithosphärenstruktur 50 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner

Aufgaben Dichten: Wasser: 1030 kg/m3 Sediment: 2400 kg/m3 Kruste: 2800 kg/m3 Lithos. Mantel: 3200 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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner

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), 28.04.08, Blanka Sperner