Präsentation herunterladen
Veröffentlicht von:Luitpold Annen Geändert vor über 10 Jahren
1
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 Freiberg Tel / I
2
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), , Blanka Sperner
3
Isostasie 3 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
4
Isostasie = Gleichstand (griech.)
Schwimmgleichgewicht unterschiedliche Dichte unterschiedliche Dicke Strobach, K. (1991): Unser Planet Erde 4 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
5
Isostatische Modelle (1)
Frisch, W. & Loeschke, J. (1993): Plattentektonik. 5 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
6
Isostatische Modelle (2)
6 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
7
Isostatische Modelle (3)
7 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
8
Isostatische Modelle (4)
8 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
9
Isostatische Modelle (5)
p = const. Σ ρi·hi = const. (bez. Einheitsfläche) p = const. Σ ∆mi = 0 9 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
10
Airy Isostasie Verdickung der Kruste Hebung Ausgangsmodell
Verdickung des lith. Mantels Subsidenz Ausgangsmodell 10 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
11
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), , Blanka Sperner
12
Aufgaben Siehe Aufgabenblätter Skizze anfertigen
Vertikalbewegung bzw. Mohotiefe berechnen Beispiele? Ergebnis (Skizze & Rechnung) präsentieren 10 min. 12 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
13
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·( )/(3200) = km Δh0 = 1/8 · ΔhC 13 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
14
Aufgabe (1a) Kollisions-zone Verdickung der Kruste um 30 km
ΔmC < 0 Kollisions-zone (Beispiel Alpen) 14 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
15
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·( )/(-3150) = km Δh0 = 1/63 · ΔhLM 15 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
16
Verdickung des lithosphärischen
Aufgabe (2a) Verdickung des lithosphärischen Mantels um 30 km Subduktionszone (Beispiel Anden) 16 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
17
Modellierung (1) Entwicklung einer Subduktions- / Kollisionszone
(unter der Annahme lokaler Airy-Isostasie) 17 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
18
Beckenentwicklung aufgrund fortschreitender Subduktion
Modellierung (2) Beckenentwicklung aufgrund fortschreitender Subduktion 18 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
19
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) = 3.0 km ΔhO Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 19 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
20
Aufgabe (3a) Tektonische Grabenstrukturen Ausdünnung der Kruste
um 24 km Tektonische Grabenstrukturen (Beispiel Oberrheingraben) 20 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
21
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·( )/( ) = 4.4 km ΔhW Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 21 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
22
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), , Blanka Sperner
23
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·( )/( ) = 12 km ΔhS Subsidenz, damit Mantelmasse nach unten wegfließen kann 23 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
24
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), , Blanka Sperner
25
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 ) Δh0 = · ΔhC (mit Luftfüllung) ΔhW = · 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), , Blanka Sperner
26
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·( )/( ) = km ΔhO = 1/42.4 · ΔhLM 26 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
27
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), , Blanka Sperner
28
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) = km ΔhO = 7/8 · ΔhT 28 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
29
Aufgabe (7a) Topographische Erhebungen
Erosion von ursprünglich 5.0 km Topographie Δho Topographische Erhebungen (Alpen, Anden, Himalaja) 29 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
30
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), , Blanka Sperner
31
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), , Blanka Sperner
32
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), , Blanka Sperner
33
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)/( ) = km ΔhO = 7 · ΔhT 33 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
34
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), , Blanka Sperner
35
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·( )/( ) = km ΔhO = 4.4 · ΔhLM 35 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
36
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), , Blanka Sperner
37
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), , Blanka Sperner
38
Biegesteifigkeit (1) Je steifer die Platte, desto geringer die Biegung (d.h. desto größer die elastische Dicke) 38 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
39
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), , Blanka Sperner
40
Flexural bulge Flexuraufwölbung
Aufwölbung der Platte aufgrund ihrer Steifigkeit (je stärker die Flexur, desto größer die Aufwölbung) 40 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
41
Flexur & Tektonik Auslösende Kraft für Flexur:
Masseüberschuß in der Tiefe (subduzierte Platte) Masseüberschuß an der Oberfläche (Gebirge) 41 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
42
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), , Blanka Sperner
43
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), , Blanka Sperner
44
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), , Blanka Sperner
45
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), , Blanka Sperner
46
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), , Blanka Sperner
47
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), , Blanka Sperner
48
Zusammenfassung (2) Isostasie & kontinentale Tektonik 48
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
49
Zusammenfassung (3) Isostasie & ozeanische Tektonik 49
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
50
Zusammenfassung (4) Isostasie & Lithosphärenstruktur 50
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner
51
Aufgaben Dichten: Wasser: kg/m3 Sediment: 2400 kg/m3 Kruste: kg/m3 Lithos. Mantel: 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), , Blanka Sperner
52
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), , Blanka Sperner
53
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), , Blanka Sperner
54
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), , Blanka Sperner
55
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), , Blanka Sperner
56
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), , Blanka Sperner
57
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), , Blanka Sperner
58
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), , Blanka Sperner
59
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), , Blanka Sperner
60
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), , Blanka Sperner
Ähnliche Präsentationen
© 2024 SlidePlayer.org Inc.
All rights reserved.