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

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

Wiederholung (1) Faktoren, die das Schwerefeld beeinflussen: Geographische Breite (φ) Topographische Höhe (∆R) Verteilung der Massen in der Erde (M) Korrekturen: für geographische Breite  Normalschwere g0 für topographische Höhe  Freiluft- / Bouguerschwere Topographie wird bezüglich Geoid gemessen  Geoidundulationen beachten! 3 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Wiederholung (2) gF [mGal] = 0.308·h [m] ∆gF = gbeob + gF - g0 Korrektur für topographische Höhe: Freiluft-anomalie (FAA) gF [mGal] = 0.308·h [m] ∆gF = gbeob + gF - g0 Korrektur für die Masse zwischen Meßpunkt und Referenzniveau: Strobach (1991): Unser Planet Erde Bouguer- anomalie (BA) An Land: gB [mGal] = 0.112·h [m] Überm Meer: gB [mGal] = -0.0687·h [m] ∆gB = ∆gF - gB 4 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

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

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

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

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

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

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

Aufgabe (3) (3) Ausgangssituation: 30 km Kruste, 70 km lithosphärischer Mantel. Problem: Ausdünnung der Kruste um 24 km. 11 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, 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 12 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, 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 13 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, 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 14 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Aufgabe (7) (7) Ausgangssituation: auf 70 km verdickte Kruste, davon 5 km Topographie, 35 km lith. Mantel. Problem: Erosion der gesamten Topographie. 15 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, 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?). 16 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, 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?). 17 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

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

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

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

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

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

aufsteigende heiße (leichte) Asthenosphäre 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) 23 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

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

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

Schwereanomalien an Störungen ρ1 Seiten-verschiebung ρ1 ρ2 > ρ1 ρ2 > ρ1 ρ1 Aufschiebung Abschiebung Moores, R.J. & Twiss, E.M. (1995): Tectonics. Basement mit höherer Dichte Einzelne Lage mit höherer Dichte 26 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Rechenaufgabe 5 min. Gegeben: Gesucht: 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. 27 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Rechenaufgabe Gegeben: Gesucht: φ : geographische Breite Breite: 48.1195° N Länge: 12.1878° E Höhe: 487.9 m NN Gemessene Schwere: 980,717.39 mGal Gesucht: Normalschwere: g0 = 980,900.91 mGal g0 = ge·(1+ 0.005278895·sin2 φ + 0.000023462·sin4 φ) ge = 978,031.85 mGal (Schwere am Äquator) φ : geographische Breite 28 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Rechenaufgabe Gegeben: Gesucht: Breite: 48.1195° N Länge: 12.1878° E Höhe: 487.9 m NN Gemessene Schwere: 980,717.39 mGal Gesucht: Normalschwere: Freiluftkorrektur: Bouguerkorrektur: g0 = 980,900.91 mGal gF = 150.27 mGal gB = 54.64 mGal gF [mGal] = 0.308·h [m] gB [mGal] = 0.112·h [m] 29 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Rechenaufgabe Gegeben: Gesucht: 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: g0 = 980,900.91 mGal gF = 150.27 mGal gB = 54.64 mGal ∆gF = gbeob + gF - g0 = -33.25 mGal ∆gB = ∆gF - gB = -87.89 mGal 30 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

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

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

Rotationsachse ≠ Dipolachse Erdmagnetfeld 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° 33 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Rotationsachse ≠ Dipolachse Erdmagnetfeld 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) 34 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

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

Magnetische Flussdichte M: Dipolmoment; 7.734·1024 nT·m3 R: Abstand (Erdradius) φ : magnetische Breite B = M·R-3·(1+3·sin2 φ)½ ⇀ 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 Am Äquator: B = 30,000 nT Am Pol: B = 60,000 nT ⇀ Inklination i: tan i = 2·tan φ 36 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Magnetismus von Festkörpern 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 Tc. 37 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Magnetisierbarkeit M = χm·H (Magnetische Suszeptibilität) M: Magnetisierung χm: magnetische Suszeptibilität H: magnetische Feldstärke M = χm·H Gestein/Mineral 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 Diamagnetismus: χm= –10-5 Paramagnetismus: χm= +10-4 Ferromagnetismus: χm= +10-1 (z.B. Magnetit: Fe3O4; Tc≈ 580°C) 38 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

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

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

Magnetostratigraphie 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 41 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

Paläomagnetismus (1) 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 42 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

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

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

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

Nachweis von Plattenbewegungen (1) Paläomagnetismus Nicolas, A. (1995): Die ozeanischen Rücken. 46 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) 47 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) 48 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner

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

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

Zusammenfassung (1) Schwerefeld Subduktionszone Kontinentales Rift Mittelozeanischer Rücken Gebirge an Störungen 51 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) 52 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 09.06.08, Blanka Sperner