Plattentektonik 1

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ETH
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
Swiss Federal Institute of Technology Zurich
Plate Tectonics –
Tectonics of lithosphere plates
E. Kissling
Lehrveranstaltung: Tektonik
Proffs. J.-P. Burg & E. Kissling
Prof. Dr. Eduard Kissling
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 1
Wegener‘s continental drift
When reassembled,
continental crust contains:
-  matching rock units
-  fossil record (+glaciation record)
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Prof. Dr. Eduard Kissling
Plate movement reconstruction
based on paleomagnetic data
Ma
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 3
Prof. Dr. Eduard Kissling
Von Kontinentaldrift zur Plattentektonik
èLithosphäre statt Kruste !
* Die Lithosphäre ist in einige grosse und kleine Platten zerbrochen.
Es gibt die ozeanische und kontinentale Lithosphäre, welche sich
in Chemismus und Alter stark unterscheiden.
* Die Lithosphärenplatten bewegen sich.
* Es gibt drei Arten von Plattengrenzen:
•  konstruktive
•  destruktive und
•  konservative
* An diesen Plattenrändern finden die primären tektonischen
Veränderungen der Lithosphäre statt.
è Kräfte !
Antrieb der Plattentektonik? Wann greifen welche Kräfte
wo und wie an der Lithosphäre an?
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 4
Prof. Dr. Eduard Kissling
Inhalt: Plattentektonische Strukturen und Kräfte
Ø  Aufbau und Zustand der Erde (Erde ist eine Wärmemaschine!)
Ø  Lithosphäre als Mehrschichtenfestkörper
Ø  Zyklus der ozeanischen Lithosphäre
Ø  Antriebsmechanismus der Plattentektonik
Ø  Plattenränder und Kräfte an Lithosphärenplatten
Ø  Wilson-Zyklus und kontinentale Gebirgsbildung
Ø  Kinematik der Lithosphärenplatten - Beispiele
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 5
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Kapitel 1
Aufbau und Zustand der Erde
zähflüssig
(1)
Ziel:
Verständnis, warum es Plattentektonik
und Mantelkonvektion gibt
Lithosphäre – Mantel – Kern, Temperaturverteilung, abkühlende Erde
als Wärmemaschine (thermische Grenzschicht und Konvektion)
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 6
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Aufbau und Zustand der Erde
(2)
Moderne, plattentektonische
Betrachtung der Erde
Rheologie
Der grösste Teil der Erde
(Mantel und Kern) sind
flüssig, Festkörper sind nur
die Lithosphäre und der
innere Kern
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 7
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Aufbau und Zustand der Erde
fest
zähflüssig
(3)
Dynamik des Erdmantels (oben)
Dynamik des Erdkerns (unten)
flüssig
fest
Festkörper sind nur die Lithosphäre
und der innere Kern
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Kapitel 1 - Erde als Wärmemaschine
Was bedeutet Wärmemaschine?
Thermische Energie im Zusammenhang mit
Phasenübergängen in mechanische Energie
umwandeln. (Bsp. „Kühlschrank“)
Wärmemaschine Erde:
Heisses
Material
kommt
nach
oben
Kaltes
Material
sinkt ab
flüssig
Primärer Prozess:
fest
Auskühlung des heissen Erdinnern durch Konvektion im Mantel
Sekundäre Prozesse:
Mantel gefriert an Erdoberfläche. Wärmeabgabe nur durch Wärmeleitung.
Effizienzsteigerung dank Gefrieren von ozeanischer Lithosphäre und deren
Rückfluss in unteren Mantel.
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 9
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Aufbau und Zustand der Erde
(4)
Ozeanische Lithosphäre besteht aus gefrorenem
Mantel und wird laufend recycliert (subduziert)
fest
flüssig
flüssig
fest
Lithosphäre ist in einige Platten
zerbrochen
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 10
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Kapitel 1
Lithosphäre
(1)
ozeanische und kontinentale
Lithosphäre,
oft zusammen in einer Platte!
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Kapitel 1
Lithosphäre
(2)
Lithosphäre besteht aus zwei Schichten
von festgefrorenem Material,
Erde ist vollständig von
Lithosphärenplatten bedeckt,
Lithosphäre schwimmt auf
Asthenosphäre
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Kapitel 2
Lithosphäre als Mehrschichten-Festkörper
(1)
System Lithosphäre-Asthenosphäre
Continental lithosphere
Oceanic lithosphere
normal
MOR
cratonic
crust
melt
5 km
10 km
30 km
40 km
mantle lithosphere
100 km
asthenosphere
200 km
densities (g/cm 3): crust -oceanic 2.90 -continental 2.85
mantle lithosphere 3.30
asthenosphere 3.25
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Siehe auch LV Lithosphäre Kap. 2
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Kapitel 2
Lithosphäre als Mehrschichten-Festkörper
(2)
Aufbau ozeanischer und kontinentaler Lithosphäre
Entscheidend ist die Art der Kruste!
Europäische
Geotraverse
Prof. Dr. Eduard Kissling
Siehe auch LV Lithosphäre Kap. 2
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Kapitel 2: die Erdkruste
Mächtigkeit der Erdkruste
R LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 15
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Krustenmächtigkeiten
weltweit
Mächtigkeit
der Erdkruste
ozeanische, normale
kontinentale und
kratonische Kruste
USGS
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(„jungen“)
Aufbau der kontinentalen Kruste („normal“ ca. 30 km mächtig!)
Nach Mueller 1977, vor allem aus Profilen im nördlichen Alpenvorland
4
6
8
VP
0
x x x x x x x x x
x x x x x x x x
x x x x x x x x x
granitisch
10
Py
obere Kruste
(incl. Sedimente)
+
+
+
+
+
+ + +
++ +
+ + + + +
+
+ + + + + + + + + +
P*
20
untere Kruste
amphibolitisch
30
Z
(km)
Pn
ultramafisch
(Peridotit, Eklogit)
Junge Sedimente
xxx
Moho
oberster Mantel
Granite
Granulite
Meso- Paläozoische Sedimente
Migmatite
Ultramafische Gesteine
Gneisse und Schiefer
Amphibolite
+++
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Seismische Lithosphären-Asthenosphären- Grenze (LAG)
By surface wave and body wave seismic tomography
Kruste
oberer
Mantel
‚LAG‘
LVL
Asthenosphäre
410km
unterer
Mantel
660km
Zusammenfassung
Unter der Lithosphäre hat es eine Schicht, welche eine
stark erniedrigte S-Wellengeschwindigkeit und eine
leicht erniedrigte P-Wellengeschwindigkeit zeigt.
 mechanische Eigenschaft?
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Aufbau der
Ozeanischen Kruste
ocean
depth below
sea floor (m)
sediment
basalt
Entstehung: Wo? Wie?
Am MOR,
chem. Differentiation
gabbro
Moho 5-8 km
peridotit
Vgl. Smith 1991
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Kontinentale Kruste
sediments and
volcanic rock
Vgl. Smith 1991
granitic
batholith
5-8km
folded and metamorphosed basement
high-grade
granitic crust
Entstehung: Wo? Wie?
Subduktionszonen (subduction
factory) + überall bei
tektonischer Überarbeitung
high-grade
granodioritic
crust with
intrusions
Mikrokontinent
oder ehemaliger
Inselbogen
30-35 km Moho
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 20
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Die kontinentale Kruste – ein Konglomerat
0.25 -0
1.7 -0.7
2.8-1.8
oAngegeben ist die Zeit der tektonischen
Ueberarbeitung der kont. Kruste
Burchfiel 1983 (Spektrum der Wissenschaft)
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Beispiel Nordamerika: auch die Kruste von
Kratonen ist bereits als Konglomerat aufgebaut
Was schliessen
wir daraus?
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Kapitel 2
Lithosphäre
(3)
Schwimmgleichgewicht für die Lithosphäre
Als Referenz (Vergleichsdichte) gilt die Asthenosphäre, da die Lithosphäre auf der
zähflüssigen Asthenosphäre schwimmt (vgl. Prinzip Eisberg im Wasser)
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 23
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Kapitel 2
Lithosphäre
(4)
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Aufbau und Isostasie der kontinentalen Lithosphäre
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Aufbau und Isostasie der ozeanischen Lithosphäre
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Kapitel 3
Zyklus der ozeanischen Lithosphäre
Entstehung ozeanischer Kruste und Mantellithosphäre,
Recycling Mantelmaterial, wichtigste Plattenkräfte
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Kapitel 3
Zyklus der ozeanischen Lithosphäre
Age of Oceanic Crust
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 28
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Entstehung des magnetischen Streifenmusters der
ozeanischen Kruste am MOR
Mittelozeanischer Rücken
(MOR)
10 km
Merke:
Die (nicht-sedimentäre) ozeanische Kruste entsteht am
MOR und wird nachher nicht mehr mächtiger!
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Streifenmuster im Ozeanboden
www.pbs.org, www.geolinde.musin.de
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Ozeanische Lithosphäre (1)
Wie hängen Wärmefluss, Mächtigkeit der Lithosphäre
und Meerestiefe zusammen?
A) Wärmefluss und Mächtigkeitszunahme
MOR
Distanz ab MOR
A
L
A
L
L
A
A
o
Ø  Was passiert?
Solidus ~1300 C unterschritten (vgl. 2)
Ø  Wohin geht diese Energie?
Ø  Warum immer weniger Wärmefluss mit grösserem Abstand?
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Ozeanische Lithosphäre (2)
Wie hängen Wärmefluss, Mächtigkeit der Lithosphäre
und Meerestiefe zusammen?
B) Wärmefluss und Meerestiefe
Weiteres Auskühlen der ozeanischen Lithosphäre nach
Unterschreiten des Solidus
MOR
Distanz ab MOR
Was passiert beim Abkühlen
eines Festkörpers?
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 32
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Ozeantiefe
Das Auskühlen der neu entstandenen ozeanischen Lithosphäre
führt zum Schrumpfen und höherer Dichte, was ein Absinken
zur Folge hat:
MOR
Kruste
Lithosphäre
Asthenosphäre
Absinken wegen höherer Dichte

Abkühlen
-> Schrumpfen
->höhere Dichte
(Isostasie!)
Œ
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Ozeanische Lithosphäre (3)
Mächtigkeitszunahme in Funktion des Abstandes von MOR:
Die Lithosphäre wächst gegen unten durch Anfrieren von
Asthenosphärenmaterial.
Wärmefluss
MOR
Distanz ab MOR
(je dunkler, desto mehr abgekühlt)
Asthenosphäre
Merke:
LAG
Die ozeanische Mantellithosphäre gefriert unten an die
ozeanische Kruste an und nimmt an Mächtigkeit zu bis sie
ca. 80Mio Jahre alt ist.
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Subduktionszonen:
Kalter Rückfluss der Konvektion im Mantel
1200°C
-DT ® +Dr!
Slab pull !
Kälter = dichter!
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Ozeanische Lithosphäre wird subduziert!
Warum?
Unter ozeanischer oder
kontinentaler Lithosphäre
Weil sie schwerer
ist als die
Asthenosphäre!
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Ca. 40 Ma
Ozeanische Lithosphäre wird subduziert … früher oder später
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Inhalt: Plattentektonische Strukturen und Kräfte
Ø  Aufbau und Zustand der Erde
Ø  Lithosphäre als Mehrschichtenfestkörper
Ø  Zyklus der ozeanischen Lithosphäre
Ø  Antriebsmechanismus der Plattentektonik
Ø  Plattenränder und Kräfte an Lithosphärenplatten
Ø  Wilson-Zyklus und kontinentale Gebirgsbildung
Ø  Kinematik der Lithosphärenplatten
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