Vorlesung Allgemeine Geologie

Vorlesung Allgemeine Geologie
Prof. Dr. Eckart Wallbrecher
Sommer-Semester 2005
Mo, Di, Mi 8.15 – 9.00 Uhr
Hörsaal 06.03
Lehrbücher der Allgemeinen Geologie
2)
Press & Siever (2001)
Allgemeine Geologie, Einführung in das System Erde (3. Auflage)
Spektrum Akademischer Verlag
1
Stellung der Geologie in den Naturwissenschaften
NachbarNachbar-und
undHilfswissenschaften:
Hilfswissenschaften:
Physik
Chemie
Biologie
Physik
Chemie
Biologie Astronomie
Astronomie Mathematik
Mathematik
Dynamik,
StoffumDynamik,
Stoffum- Fossilien
Fossilien Frühzeit
Frühzeitder
der QuantifizieQuantifizieKinematik
rung,
Kinematik wandlungen
wandlungen SedimenSedimen- Erde
Erde
rung,
Atomphysik
tation
Modelle
Atomphysik
tation
Modelle
Erdwissenschaften:
Erdwissenschaften:
feste
festeErde
Erde
Geologie
Geologie
Geophysik
Geophysik
Geochemie
Geochemie
Paläontologie
Paläontologie
Petrologie
Petrologie
Mineralogie
Mineralogie
Geomorphologie
Geomorphologie
Atmosphäre
Atmosphäre
Meteorologie
Meteorologie
Hydrosphäre
Hydrosphäre
Ozeanographie
Ozeanographie
Geologie:
Verschiedene
VerschiedeneForschungsansätze:
Forschungsansätze:
1)
1)genetisch,
genetisch,
historisch
Historische
historisch
Historische Geologie
Geologie
2)
2)kausalanalytisch
kausalanalytisch
Allgemeine
Allgemeine Geologie
Geologie
Allgemeine Geologie
Forschungsziel:
Forschungsziel:
Verstehen
Verstehender
dergeodynamischen
geodynamischenProzesse
Prozesse
Herkunft
Herkunftder
derKräfte:
Kräfte:
Aus
Endogene
Ausdem
demErdinneren
Erdinneren
Endogene Prozesse
Prozesse
z.B.
z.B.Wärmehaushalt,
Wärmehaushalt,Wärmetransport
Wärmetransport
Geotektonik
Geotektonik(Plattenbewegungen)
(Plattenbewegungen)
Gebirgsbildung
Gebirgsbildung
Von
Exogene
Vonaußen
außen(von
(vonder
derSonne)
Sonne)
Exogene Prozesse
Prozesse
z.B.
z.B.Verwitterung,
Verwitterung,Sedimentation
Sedimentation
Historisch wichtige Publikationen
James Hutton (1726 – 1797)
Begründer der modernen Geologie
1788:
1788:Deutung
Deutungdes
desGranites
Granitesaus
ausSchmelze
Schmelze
Diskordanz
Erkennen
Erkennenvon
vonZeitlücken
Zeitlücken
in
inder
derSedimentation
Sedimentation
(Diskordanzen)
(Diskordanzen)
Siccar Point SW Edinburg
The Present is the Key to the Past
Herkunft der Energie:
cal
Exogen: Solarkonstante 1.94
min⋅ cm 2
Endogen
Endogen :: Erdwärme
Erdwärme (Geothermik)
(Geothermik)
a)
a) primordial
primordial
b)
b) neu
neu entstehend
entstehend
Wärme steuert geodynamische
und geochemische Prozesse
Tektonische
Tektonische Prozesse
Prozesse (Plattenbewegung)
(Plattenbewegung)
Magmatismus
Magmatismus
Metamorphose
Metamorphose
Das
Das Sonnensystem
Sonnensystem
Größenvergleich der Planeten
www.blinde-kuh.de/weltall/
Die neun Planeten des Sonnensystems
http\\astronomie-sonnensystem.de/system.htm
Das Sonnensystem
Stellung der Erde im Planetensystem
4≤ ρ ≤5
g
cm 3
Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Akademischer Verlag, 1995)
0 .7 ≤ ρ ≤ 1 . 7
g
cm 3
Gemeinsamkeiten der Planeten:
Bahnen
Bahnen liegen
liegen in
in einer
einer Ebene,
Ebene,
gleiche
gleiche Umlaufrichtung,
Umlaufrichtung,
gleiche
gleiche Rotationsrichtung
Rotationsrichtung
Die Keplerschen Gesetze:
1.)
1.)Planeten
Planetenbewegen
bewegensich
sichauf
aufEllipsen,
Ellipsen,in
inderen
dereneinem
einem
Brennpunkt
Brennpunktsich
sichdie
dieSonne
Sonnebefindet.
befindet.
2.)
2.)Ein
Einvon
vonder
derSonne
Sonnezu
zueinem
einemPlaneten
Planetengezogene
gezogeneStrahl
Strahl
(Radius-Vektor)
(Radius-Vektor)überstreicht
überstreichtin
ingleichen
gleichenZeiten
Zeitengleiche
gleiche
Flächen.
Flächen.
DT
DT
3.)
3.)Die
DieQuadrate
Quadrateder
derUmlaufzeiten
Umlaufzeitenverschiedener
verschiedenerPlaneten
Planeten
verhalten
verhaltensich
sichzueinander
zueinanderwie
wiedie
dieKuben
Kubender
derhalben
halbengroßen
großen
Achsen
Achsenihrer
ihrerBahnen.
Bahnen. TErde 2 a Erde 3
TMars
2
=
a Mars
3
Entfernung von der Sonne
(
1
Die Titius-Bode-Reihe E = ⋅ 4 + 3 ⋅ 2 n
10
)
n = −∞ ,1,2,3
Mars
Erde
Venus
Merkur
Sonne
Jeder
Jeder Planet
Planet ist
ist doppelt
doppelt soweit
soweit von
von der
der Sonne
Sonne entfernt,
entfernt,
wie
wie der
der nächste
nächste innere
innere
Physikalische Eigenschaften
Die
Die großen
großen Planeten
Planeten erzeugen
erzeugen
99%
99% des
des Drehimpulses
Drehimpulses
n
mi
ri
D = ω ⋅ ∑ mi ⋅ ri
1
2
Theorien zur Entstehung des
Sonnensystems
Theorie
Theorie der
der stofflichen
stofflichen Einheit:
Einheit:
G.
G. Galilei
Galilei (1564
(1564 –– 1642)
1642)
Kant
Kant –– Laplacesche
Laplacesche Theorie
Theorie
Immanuel
Immanuel Kant,
Kant, 1755
1755
Pierre
Pierre Simon
Simon Laplace,
Laplace, 1796
1796
Urnebel
Urnebel (nebula)
(nebula)
Entstehung des Sonnensystems
http\\astronomie-sonnensytem.de/system.htm
Die Nebula - Hypothese
Langsam rotierende Wolke
Aus Gas und Staub
Rotierende Scheibe, Materie
Konzentriert sich im Mittelpunkt
Bildung der Protosonne und
Ringförmiger Materieansammlung
Verdichtung der Ringe zu
Planeten
Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Akademischer Verlag, 1995)
Kollisions-Hypothese
George
George Louis
Louis Leclerq
Leclerq de
de Buffon,
Buffon, 1749
1749
Es kondensieren:
Protosonne
Protosonne
Protoplaneten
Protoplaneten
Meteoriten
Meteoriten
Typen von Meteoriten
Olivin, Proxen
+ Kohlenstoff
terrestrisch
www.wappswelt.de/tnp/nineplanets/meteorites.html
Heutige Vorstellung
Neo
Neo –– Kant
Kant –– Laplacesche
Laplacesche -- Theorie
Theorie
Entstehung
Entstehung des
des Planetensystems
Planetensystems aus
aus Planetesimalen
Planetesimalen
(Partikel
(Partikel von
von 15
15 –– 20
20 km
km Durchmesser,
Durchmesser, die
die zunächst
zunächst
kalt
kalt und
und undifferenziert
undifferenziert sind.)
sind.)
Die
Die Planetesimale
Planetesimale entsprechen
entsprechen in
in ihrer
ihrer Größe
Größe etwa
etwa
den
den Partikeln
Partikeln des
des Asteroiden-Gürtels
Asteroiden-Gürtels
Bildung von Planetesimalen
www.psi.edu/projects/planets/planets.html
Die Entwicklung des Sonnensystems aus
Planetesimalen
Protosonne
Planetesimale
Protoplaneten
Umgezeichnet nach Ozima 1987
Planeten
Computer-Simulation
100 Planetesimale auf Bahnen
um die Sonne (dreidimensional). Nach 30.2 Ma sind 22 größere
Die Masse entspricht der Masse Körper entstanden. Die Umlaufbahnen sind elliptisch
aller terrestrischen Planeten.
Aus Wetherill (Spektrum der Wissenschaft, 1984
Ausgangszustand der Protoerde
kalt
undifferenziert
durch Akkretion entstanden
Energiequellen:
primordial:
Stoßenergie
Gravitation
(Verdichtung)
neu entstehend:
Radioaktivität
Nach Press & Siever (Spektrum, Akademischer Verlag, 1995)
Beispiel für Stoßenergie:
Ein Eisenmeteorit von 1m Durchmesser wiegt ca. 4 t
Eine realistische Geschwindigkeit ist
km
v = 30
sec
(Umlaufgeschwindigkeit der Erde)
Die kinetische Energie beträgt:
E kin =
m 2
v
2
2
4000
2 kg ⋅ m
11
=
30000
=
18
⋅
10
Nm
2
2
sec
18 ⋅ 1011
MWh
= 6
10 ⋅ 3600
=
1
⋅ 10 3 MWh
2
==500
500MWh
MWh
Temperatur [°C]
Beginnende Differenzierung
3000
Nach 1 Ga beginnt Eisen
Eisen
zu schmelzen
Schmelzkurve von
nach 1 Ga
2000
nach 500 Ma
1000
Temperatur bei 0 Jahren
Tiefe
500
1000
1500
2000
2500
00Jahre
Jahre::Akkretion
Akkretionund
undVerdichtung
Verdichtung::Temperatur
Temperaturbis
bis1500°C
1500°C
500
500Ma
Maspäter
später::durch
durchRadioaktivität
Radioaktivität::Temperatur
Temperaturbis
bis2000°C
2000°C
Nach
Nach11Ga
Ga::in
in400-800
400-800km
kmTiefe
TiefeBerührung
Berührungmit
mitder
derSchmelzSchmelzkurve
kurvevon
vonEisen:
Eisen:Bildung
Bildungeines
einesEisen-Kerns
Eisen-Kerns
Umgezeichnet nach Press & Siever, 1986
Entstehung des Schalenbaus der Erde
Bildung des Erdkerns
Aus Press und Siever (Spektrum, Lehrbücher), 1995
Heutiger Aufbau der Erde
Aufbau der Erde
www.solarviews.com/earthint.htm
Die einzelnen Schalen der Erde
km
0
-35
-135
-235
-400
}Kruste
}
Lithosphäre
}
}
Asthenosphäre
Oberfläche
Oberer Mantel
}
Übergangszone
-1500
}
Unterer Mantel
-2885
}
Äußerer Kern
-5155
-6370
Kern
}Innerer
Mittelpunkt
Relative Häufigkeit der Elemente
Gesamterde
Aus Press & Siever (Spektrum Lehbücher), 1995
Erdkruste
Seit wann?
Alter
Alter der
der Erde
Erde und
und der
der Planeten:
Planeten: 4.56
4.56 Ga
Ga
Terrae
:: 4.55
Terrae des
des Mondes
Mondes
4.55 Ga
Ga
Älteste
Älteste Gesteine
Gesteine (Isua-Gneise):
(Isua-Gneise): 3.8
3.8 Ga
Ga
Wie ist die Verteilung fest – flüssig?
Diese Frage läßt sich mit dem Studium
der Seismizität beantworten
Kompressionsoder Longitudinalwellen
(Primärwellen)
Dieser Wellentyp
kann auch Flüssigkeiten durchdringen
Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995
Scher- oder Transversalwellen
(Sekundärwellen)
Dieser Wellentyp
kann Flüssigkeiten
nicht durchdringen
Ausbreitung von P- uns S-Wellen
S-Wellen hören an der Grenze
zum äußeren Erdkern auf.
Hieraus kann man schließen, daß
dieser flüssig sein muß.
Aus Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995
Verlauf der P-Wellen
Die Schattenzone ist der
Bereich, in den die P-Wellen
nicht gelangen, weil sie vom
Kern abgelenkt werden
Zustände der Erdschalen:
Innerer Kern : fest
Äußerer Kern: flüssig
Mantel :
fest
Asthenosphäre: plastisch
Lithosphäre: starr
Wärmeleitfähigkeit
Gestein ist ein sehr schlechter
Wärmeleiter
cal
λ = 0,003 bis 0,015
cm sec °C
Konvektionswalzen
Aus Siever (Spektrum der Wissenschaft), 1987
Das Magnetfeld der Erde
Das Magnetfeld entsteht durch einen Dynamo
aus innerem Kern (Eisen, fest) und Konvektionen im äußeren Kern (flüssig)
Aus Jeanloz (Spektrum), 1987
Die äußeren Schalen der Erde
Petrologie von Kruste und Mantel
kontinental: Granit
Orthoklas KAlSi3o8
Albit
NaAlSi3O8
Quarz
SiO2
ozeanisch: Basalt
Anorthit CaAl2Si2O8
Albit
NaAlSi3O8
Peridotit
Olivin (Mg,Fe)2SiO4
Pyroxen Mg2Si2O6
Kruste
Mantel
Konvektion bewirkt chemische Zonierung
Diffusion der leichten
und großen Elemente
in die Kruste
Kruste
Konvektion
Mantel
Inkompatible
Inkompatible Elemente:
Elemente:
Large
Large Ion
Ion Lithophiles
Lithophiles (LIL-Elemente)
(LIL-Elemente)
K,
K, Rb,
Rb, U,
U, Th
Th
Verteilung der Radioaktivität
ppm
U
Th
K
Wärme
3
Joule/(cm Jahr)
67 x 10
21 x 10 -6
-6
kontinentale Kruste
4
13
4
ozeanische Kruste
0.5
2
1.5
oberer Mantel
0.02 0.06 0.02 0.21 x 10
-6
Die
DieRadioaktivität
Radioaktivitätist
istin
inder
derErdkruste
Erdkrustekonzentriert
konzentriert
Der
Derobere
obereErdmantel
Erdmantelist
istan
anden
denLIL-Elementen
LIL-Elementenverarmt.
verarmt.
Depleted
Depletedmantle
mantle
Zusammensetzung von Mantelgesteinen
Hochmetamorphes
Gestein
Archäisches
Mantelgestein
Nach MCKenzie (Spektrum der Wissenschaft), 1987
Meteoriten
Heutiges
Mantelgestein
Übergangszonen im oberen Mantel
Nach McKenzie (Spektrum der Wissenschaft), 1987
Entstehung der Atmosphäre und Hydrosphäre
Exhalation der Vulkane
Aus Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995
Herkunft des Wassers
Große
Große Mengen
Mengen Wasser
Wasser sind
sind in
in
Mineralen
Mineralen der
der Erdkruste
Erdkruste gebunden,
gebunden,
z.B.
(OH)
z.B. Glimmer
Glimmer KAl
KAl33Si
Si33O
O10
10(OH)22
Prozent der Gase in der Atmosphäre
Entwicklung der Atmosphäre
100
75
50
Atmosphäre
unbekannt
Methan, Ammoniak
25
0
Stickstoff
Wasserdampf
Sauerstoff
Kohlendioxid
4.5
3
4
Milliarden Jahre
2
1
Die Uratmosphäre
Wahrscheinlich
Wahrscheinlich
reduzierend
reduzierend
CO
CO22
CH
CH44
NH
NH33
H
H22O
O
Hieraus
Hieraus können
können sich
sich Aminosäuren
Aminosäuren
gebildet
gebildet haben.
haben.
Banded Iron Formation (Itabirite)
Banded Iron Formation (BIF), Kola-Halbinsel, Russland
Radioaktiver
Radioaktiver Zerfall
Zerfall
wichtige radioaktive
Isotope:
235
238
232
87
40
235U,
238
232
87
U, U,
U, Th,
Th, Rb,
Rb, 40K
K
Strahlungsarten
α− Strahlung: 2 Protonen + 2 Neutronen (He-Kerne)
β - Strahlung: Elektronen
γ- Strahlung: elektromagnetische Wellen
Zerfallgesetz:
N = N0 ⋅ e
− λt
( λ = Zerfallskonstante )
Halbwertszeit ( TH ) :
N0
N=
2
N0
− λTH
= N0 ⋅ e
2
2=e
λ ⋅TH
λ ⋅ TH = ln 2 ≈ 0.693
Indirekter Zerfall:
U→
207
82
Pb, TH = 0.713 ⋅ 10
U→
206
82
Pb, TH = 4.5 ⋅ 10
235
92
238
92
9
Th→ Pb, TH = 13.9 ⋅ 10
232
90
208
82
9
9
Direkter Zerfall:
Neutron Æ Proton + e- (ß-Zerfall)
87
37
Rb →
40
19
K→
87
38
40
20
Sr + e − , T H = 4 . 88 ⋅ 10 10
Ca + e − , T H = 1 . 47 ⋅ 10
9
Proton + e- Æ Neutron (inverser ß-Zerfall)
40
19
−
K → Ar − e , TH = 1.29 ⋅ 10
40
18
9
2 Protonen + 2 Neutronen Æ (α− Zerfall)
147
62
11
Sm →143
Nd
+
α
,
T
=
1
.
06
⋅
10
60
H
Altersmessungen mit direktem
Zerfall:
N0 = Anzahl der Mutterisotope zu Beginn
D = Anzahl der Tochterisotope nach der Zeit t
N = Anzahl der Mutterisotope nach der Zeit t
N0 = N + D
N = ( N + D )e
− λt
λt
Ne = N + D
D = N (e λt − 1)
Ausgangsformel für Altersdatierung
Altersdatierungen: Die Isochronen-Methode:
10
(Th = 4.88 x 10 )
Rb/Sr
Ausgangsformel: D
87
= N (e λt − 1 )
S rheute = 87 Sr t = 0 + 87 Rb ( e λ t − 1)
Massenspektrometer mißt Verhältnisse, deshalb
beziehen auf das stabile 86Sr
87
Sr
=
86
Sr heute
87
Sr
+
86
Sr t = 0
87
Rb λt
(e − 1)
86
Sr
87
Sr
86
e
n
o
hr
c
o
Is
Sr
a
}
tanα = eλt −1
87
Sr
(Sr-Initial)
86
Sr t = 0
87 Rb
86
Sr
Chondriten-Isochrone
Probennahme für Rb/Sr-Datierung
Alter der Metamorphose
Ch. Hauzenberger, 2003
Indirekter Zerfall: Concordia-Kurve
Altersmessung (U/Pb-Methode):
206
Pb
238
U
Concordia
Oberer Einstichspunkt
(Alter des Gesteins)
Discordia
Unterer Einstichspunkt
(Alter der Metamorphose)
207
Pb
235
U
Zirkon-Alter
Sagalla
Hills
Ch. Hauzenberger, 2003
Ar/Ar-Abkühlungsalter von
Amphibolen
Erdwärme
Erdwärme (Geothermik)
(Geothermik)
Arten des Wärmetransportes:
Wärmeleitung (Konduktion)
cal
0.003 ≥ λ ≤ 0.015
cm ⋅ sec⋅ °C
Advektion
Advektion
(Aufstieg
(Aufstieg von
von Schmelzen)
Schmelzen)
Konvektion
Konvektion
(walzenförmiger
(walzenförmiger Wärmetransport)
Wärmetransport)
Der Temperatur-Gradient
Der
Der Temperatur-Gradient
Temperatur-Gradient gibt
gibt die
die Änderung
Änderung der
der
Temperatur
Temperatur mit
mit der
der Tiefe
Tiefe an.
an.
ΔΤ
Δr
[°C/m ; °C/km]
Messung des Temperatur-Gradienten
Bergwerk
Gradient =
Schacht
Stollen 1
T1
Δr
Stollen 2
T2
T2 –T1
Δr
Messung des Gradienten in Sedimenten
Aus Press & Siever, 1986
Mittlere Werte:
Mittelwert
Mittelwert 30°C/km
30°C/km
Geothermische
Geothermische Tiefenstufe
Tiefenstufe
33m/°C
33m/°C
Temperaturgänge:
Temperaturgänge:
täglich
1m
täglich
1m
jährlich
25m
jährlich
25m
Permafrost
Permafrost 600m
600m
Der Wärmefluß
Wärmestromdichte
Energie
Fläche x Zeit
Heat
Heat Flow
Flow Unit
Unit (HFU)
(HFU)
1 HFU =
10-6
cal = 42 mW/m2
cm2 x sec
22
Mittelwert:
1.5
HFU
~
60
mW/m
Mittelwert: 1.5 HFU ~ 60 mW/m
Messung:
HF =
ΔΤ
Δr
xλ
Beispiel: In einem Bergwerk wurde gemessen:
30 °C / 1 km = 30/105 °C/cm
Die Wärmeleitung des Gesteins wurde im Labor bestimmt:
λ = 0.006 cal / (cm sec °C)
HF =
30
105
x 6
103
= 1.8 HFU
cal
cm2 sec
Wärmefluß in Europa
Baltischer
Schild
Schottland,
Hebriden
Stockholm
Edinburg
Paris
Bukarest
AlboranSee
Algier
Pannonisches
Becken, Balkan
OstÄgäis
Geothermische Tiefenstufen:
niedrig:
junge Vulkane
7 – 10 m/°C
z.B. Santorini
tertiäre Vulkane
14.3 m/°C
z.B. Urach Schwäbische Alb
hoch:
alte Schilde
125 m/°C
z.B. Kanada
Wärmefluß:
0.9 – 1.1 HFU
alte Schilde
< 1.2 HFU
Tiefsee
ozeanische Rücken
> 2 HFU
3D-Seismik
Rot : heiß
Blau: kalt
150
150km
kmTiefe
Tiefe
350
350km
kmTiefe
Tiefe
550
550km
kmTiefe
Tiefe