Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen)

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

3 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), , Blanka Sperner

4 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] = ·h [m] ∆gB = ∆gF - gB 4 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

5 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), , Blanka Sperner

6 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), , Blanka Sperner

7 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), , Blanka Sperner

8 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), , Blanka Sperner

9 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), , Blanka Sperner

10 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), , Blanka Sperner

11 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), , Blanka Sperner

12 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), , Blanka Sperner

13 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), , Blanka Sperner

14 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), , Blanka Sperner

15 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), , Blanka Sperner

16 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), , Blanka Sperner

17 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), , Blanka Sperner

18 Subduktionszone (1) Falsche Kurve Schwereanomalien ? 18
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19 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), , Blanka Sperner

20 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), , Blanka Sperner

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

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

23 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), , Blanka Sperner

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

25 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), , Blanka Sperner

26 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), , Blanka Sperner

27 Rechenaufgabe 5 min. Gegeben: Gesucht: Breite: 48.1195° N
Länge: ° E Höhe: m NN Gemessene Schwere: 980, mGal Gesucht: Normalschwere Freiluftkorrektur Bouguerkorrektur Freiluftanomalie Bougueranomalie 5 min. 27 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

28 Rechenaufgabe Gegeben: Gesucht: φ : geographische Breite
Breite: ° N Länge: ° E Höhe: m NN Gemessene Schwere: 980, mGal Gesucht: Normalschwere: g0 = 980, mGal g0 = ge·( ·sin2 φ ·sin4 φ) ge = 978, mGal (Schwere am Äquator) φ : geographische Breite 28 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

30 Rechenaufgabe Gegeben: Gesucht: Breite: 48.1195° N Länge: 12.1878° E
Höhe: m NN Gemessene Schwere: 980, mGal Gesucht: Normalschwere: Freiluftkorrektur: Bouguerkorrektur: Freiluftanomalie: Bougueranomalie: g0 = 980, mGal gF = mGal gB = mGal ∆gF = gbeob + gF - g0 = mGal ∆gB = ∆gF - gB = mGal 30 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

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

32 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), , Blanka Sperner

33 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), , Blanka Sperner

34 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), , Blanka Sperner

35 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), , Blanka Sperner

36 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), , Blanka Sperner

37 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), , Blanka Sperner

38 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 Basalt, Gabbro 1.5· ·10-2 Magnetkies Hämatit 4.2· 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), , Blanka Sperner

39 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), , Blanka Sperner

40 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), , Blanka Sperner

41 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), , Blanka Sperner

42 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), , Blanka Sperner

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

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

45 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), , Blanka Sperner

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

47 Nachweis von Plattenbewegungen (2)
Paläomagnetismus Geodätische Methoden (z.B. GPS, VLBI) (Wang et al., 2001) 47 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

48 Nachweis von Plattenbewegungen (3)
Paläomagnetismus Geodätische Methoden (z.B. GPS, VLBI) Hot Spots (z.B. Hawaii-Kette) 48 Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), , Blanka Sperner

49 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), , Blanka Sperner

50 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), , Blanka Sperner

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

52 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), , Blanka Sperner