Lithosphäre
Werbung
Lithosphäre Isostasie Schwerewerte (Bouger –Anomalie) negativ in Gebirge & positiv in Ozeane →andere Dichte aber in Glg (isostatisches) Auftrieb Pratt-Hayford: Airy-Heiskannen: Dichte Änderung lateral Änderung Mächtigkeit der Kruste Blöcke verschieben sich vertikal reibungsfrei Mechanische Modell ohne laterale Festigkeit Verdrängung Flüssigkeit Veränderung Flüssigkeit Venning -Meinesz Kompensation regional Platte nicht gebrochen und konstant Elastizität & Verdrängen der Flüssigkeit Lithosphäre Kruste – oberer teil Mantel →Dicke 50 -250km unter Kont. & 5-120km unter Oz nicht aufgrund Chemie sondern durch Temperatur und Rheologie Thermische Lithosphäre: thermische Grenzschicht (wärmeleitende Schicht)→Temp ↑ mi zunehmender Tiefe bei ca. 100km nahe Schmelzpunkt Solidus→ Mantelmaterial nicht starr→ konvektiert Seismische Lithosphäre: P- & S Wellengeschwindigkeit Asthenosphäre: Mantelschicht zwischen 100-200 km → Temp. nah Solidus →partielles Aufschmelzen(2-3%) →erniedrigte S-Wellengeschwindigkeit (Schermodul) (weniger)→ adiabatisch →nur Konvektion keine Konduktion Seismik Q →seismische Absorption, anelastische Streuung: Erde nicht rein elastisch →Wellen verlieren Energie → Wechselwirkungen (Mineralogie, Wassergehalt)…. →Dispersion →Änderung Signalform & -amplitude1.Anelastizität: (Reibungen etc.) 2. Streuung (Reflektion, ) ↑ Frequenz mehr Oszillation →schneller absorbiert → grosses Q →kleine Absorption Q 0 →starke Absorption Physikalische Parmaeter Kompressionswelle →Refraktionsseismik → Laufzeit & Amplitude abhängig Abstandes Scherwellen → Dispersion der Öberflächenwellen (Rayleigh) → Laufzeit abhängig von Eigenschaft Kruste/Mantel Seismische Tomographie 3 – D Bild Geschwindigkeit Verhältnis V Tiefenbereich/ Auflösung 0-150km nur bis 50 km gut Auflösung 2-3km (Moho gut, Lag schlecht Mohe V um 25 % in 2 km 0-3000km Auflösung bis 50km grösser Periode →tiefer &ungenauer LAG geschmolzen ↓ vs Ganze Erde Auflösung 10km Litho 100km Mantel Weniger Vs als Vp Daten Geothermik Wärmetransport: Wärmeleitung (Konduktion): austausch Ekin →kein Massentransport →Abkühlen der Lithosphäre/Kern Konvektion: Wärmetransport mit Massentransport Advektion: flüssiges Material fliesst in fester Kruste →transportiert Wärme →Vulkane, Gesyre.. Strahlung: Abgabe von elektromagnetischer Strahlung(E=σ T4) →↑T, ↑Energie & Wärmeverlust Konvektion Wo Stoff sich frei im Medium bewegbar, im Schwerfeld mit Temp.grad →Strömungen→ konst. Chemismus ohne Phasenübergang ↑ Temp ↓ Dichte →schnellste Art→ ↓Dichte mit ↓Tiefe →Auftrieb Material & Wärme →Mantel →Plattentektonik Adiabatisch (aber Mantel nicht isotherm →T(p,V)) → →keine Wärme austausch → Konvektionszelle braucht 2 Grenzschichten →Wärme erhalten(untere heisse) & ab zugegeben (obere, Kalte) Unten Erwärmung( Konduktion) →ausdehnen→ leichter→ steigt →immer Temp über adiabatischer Glg.Temp. →bis obere Grenzschicht (Lithosphäre) Ra<1000 Konduktion Mantel Ra=106 →Konvektion Konvektion oder Konduktion Allgemeine Wärmetransportgleichung: Wärmeleitung advektiver Term Konvektion Radioaktive latente Wärme & Reibung Wärmeproduktion adiabatische Wärme Wärmeleitungsgleichung im Halbraum (ohne bewegtes Material, Wärmeproduktion) →diffundieren: Mit Randbedingungen: →Wärmetransport nur mit Wärmeleitung beschreibbar- q=-K T= -K Mit Wärmeproduktion: →A=0 & → →stationär Zustand →Laplace Glg → A=konst →q=konst im stationären Temperaturfeld Mit Konvektionssterm : Thermischer Aufbau 1. Restwärme aus Gravitationskollaps (Kollision 2 Körper →Energie als Reibungsenergie frei) 2. Separation Mantel & Kern (Fe sank →bildet Kern →Energie als Reibungsenergie frei) 3. Radioaktiver Zerfall K(früher wichtig), U, Th (konst. Kruste) →erwärmen umliegendes Material →Auftrieb Temperaturverteilung: Oberflächen Temp.gradient hoch in 0-80 km & 100-200km oberhalb Kern/Mantelgrenze →Wärme aus Kern →Erwärmung unterste Mantelschicht(Konduktion)→ gravitativ unstabil →steigt auf→ Konvektionsstrom →an Oberfläche durch Wärmeleitung Energie Abgabe→ mit Infrarotstrahlen emittiert Wärmeleitende Schicht = Lithosphäre Thermik der Ozeane 75% des Wärmeverlustes (62% durch konduktive Abkühlung an Oberfläche) Wärmefluss Quellen 85% Abkühlen /Anfrieren der Litho, 10% Mantelwärmefluss & 4% Radioaktivität Angefrieren der Asthenosphäre bei ca. 1250 C Oberflächenwärmefluss Vereinfachung: oz. Lithosphäre →horizontale bewegte Platte mit zunehmender Mächtigkeit über Asthenosphäre ohne Prozesse im Halbraum ohne lokale Wärmeproduktion o →ozeanische Geotherme→ Temp.profil (abhängig von z) für verschiedenes Alter o →ozeanische Isotherme z(t)oder z(x) bei fixer Temp →Dicke o Für 50 ma→ z=84km →Wärmefluss o Lithosphärenmächtigkeit in ma nur abhängig von Dicke ozenanische Wassertiefe Wassertiefe: 1. Isostatisches Gleichgewicht(mit verschiedenen Geotherme) Minimale Mächtigkeit am MOR→ Zunahme mit mehr Abstand →Senkung der Litho 2. Dichteschwankungen →aus Temperaturausdehnung Gleichgewichtzustand abhängig von 2 Zustandsvariablen 3. In Temp-Tiefenprofil einsetzen→ isostatische Wassertiefe abhängig vom Alter Lithosphäre Thermik der Kontinente 25 % Wärmeverlustes (19% Radioaktivität, 14 % aus Mantel(Konvektion)→Mantelwärmefluss/Restwärme qr qo über grosses Gebiet & mit lokaler Wärmeproduktion(A) (abhängig von Mineralogie) verglichen o A in [W (m-3, kg-1) variiert mit F 1-1000 *10-12Wkg-1 von Peridotit –Granit→ Ao=1-10*10-6Wm-3 Radioaktivität im oberen Teil (& tektonische Gebiete) & stationäre Temperaturverteilung In junger tiefer Wärmefluss →Solidus in wenigen zehn km In alter kleine lokale Wärmeerzeugnisse →Lithos dicker 100-150km Korrektur an Oberflächenwärmefluss→ nimmt exponentiell mit Tiefe ab & je tiefer je länger zurück o schwankenden Oberflächentemperatur →(a)periodische Änderungen) o Wasser (lokal) o Topographie →hydrothermale Zirkulation o Tektonische Bewegung Rheologie Astheno→Viskos-elastisch →elastisch T<1000yr & viskos T>1000yr →Maxwellzeit τm=1000yr. bis zu Perioden 107s elastisch( seismische Wellen, Gezeiten, post-seismische Deformation o Chander Woble (T=1 Jahr) →Anschlag in Kreismitte →kurzzeitiges Zittern →messbar an Pole/mag. N Viskos: Wandern der Pole, Mantel Konvektion Hebung nach Gletscherschmelzung→ viskose Asthenosphäre Lithosphäre → elasto –plastisch→ elastisch bis zur Belastungsgrenze dann plastisch: Plastisch: nicht reversibel (Beginn mit Risse) →2 verschiedene Grenze →duktil & spröde o Duktil mit σD (Spannung):→:diffusen Mikrobrüche →duktilen Materialfluss (wie viskos aber v ↑) o Spröd mit σb (Spannung):→Material bricht in einzelne lokale Bruchstücke→ Spannung=0 Belastungsgrenze: Mohr-Coulomb-Kriterium: (p, T, Mat,,) ↓ p & T σD> σB ↑→spröd →↑ p & T σD> ↓→duktil o spröd Mit↑ Tiefe(homogen )→ mehr Druck o Duktil jedoch → exponentielle Abnahme mit Tiefe & ↑T →Wärmere weniger Wiederstand o Beide kombiniert→schnittfläche elastisch →oben spröd unten duktil dazwischen Transitzone o Spröd bis 30-40 km & duktil bis 100km (Kont) →junge Kontinente (Grösseren Wärmefluss) früher duktil →Übergang spröd-duktil 10km Modellkörper Antwortfunktion ε(t) Elastisch Hooke- Körper (Feder reversible seismik Viskos Newton-Körper (Fettkammer permanent Lava(1000-1500C) Anaelastisch Kelvin + Feder reversible Pre-seismik oberer Mantel Firmo.viskoelastisch Transient Kelvin Körper Gleichzeitg elastisch & viskos → Nicht permanent →zurück verspätet Maxwell Körper permanetne/reversible flüssig Visko -elastisch Astenosphäre General linear Burgers-Modell Kombi visko-elastisch – transient Permanent &reversible Obere 100km Elasto-plastisch Hooke Modell Litho Evolution ozeanische Lithosphäre Chemische Unterschiede aus partiellen Aufschmelzen Mantelmaterial am MOR →basaltisch Kruste vom MOR entfernt gefriert asthenosphärischer Peridotit zur Mantellitho Mantel wo Was MOR ↓p bei geringem ↓Temp Oberhalb subduzierter Platte ↑flüchtige Bestandteile aus Sedi vulkanische Inselketten -Reibung in Sub. Zone (wichtig bei v>25cm/a Mit part. Aufschmelzung Plumes Hotspots Lokales Erhitzen →advektive Wärme + Dekompressionschmelze Kontinente, Berge Verwitterung →SiO2 Anreicherung Ozeane Verwitterung →H20 (Serpentin) Sedimentation Kalziumkarb. & Kiesel Ohne part. Aufschmelzung Bakterielle metabolische Prozesse Kontinente Pflanzen – CO2 in Atmo →Kohlenwasserstoff in Kruste Neue oz Kruste (keine/dünne Lithos) →Astheno an Oberfläche 1) Ozeanischer Basalt Adiabatische Dekompression 2) 1) MOR-Schmelze: kleines Paket Mantelmaterial nach oben (Konvektion) → gleicher Chemie & leicht + Temp →weniger Dichte als Nachbar→ Auftrieb →aufsteigen →oberhalb Solidus→ Festkörper kriecht →1.) Diffundieren von Sauerstoff/Silizium 2.)-dislokationsrutschen entlang schwachen Kristallebene Asthenosphäre 2) MOR Mit Aufstieg Druck weiter vermindert → Adiabatische Dekompression →um 0.6⁰ C pro km abgekühlt →chemische Teile erreichen Solidus(je nach p,T) →Teile schmelzen auf →Rest nahe Schmelztemp →so schneller aufschmelzen Peridotit braucht thermische Energie→-4⁰ C pro km Aufstieg Bei vDRIFT=1 cm/a →vAUFSTIEG=mm/a →viel schneller als Wärmeleitung -→↓Temp. nur lokale Wirkung Leichtere Elemente zuerst ausgeschieden→ leichte Basalt-Schmelze Basalt in geringer Tiefe(Kruste /obere Litho)→Verarmter Peridotit in grösser Krustenbildende Mineralien: Klinopyroxen & Aluminium (Granat,..) in Schmelze →Rest Olivin, Orthopyroxen →verarmter Peridotit=Harzburgit →Basalt geringer Dichte →steigt auf →Aufstieg bis hydrostatischer Druck(flüssig)=lithostatischer p (fest) Je höher Schmelztemperatur, desto : 1.) mafischere Schmelze 2.)+ V an part. Geschmolzenen 3.)dichter 4.)schwerer 5.) bleibt länger unten in stabilem Kiele der Kratone (Kont) Kinematik Erde rund →Kreisbogen statt Gerade (Sphärizität) & keine lange Translation ohne Rotation Platten bewegen sich horizontal →vereinfacht keine Verformung →Relativbewegung entlang Grenzen Kein Referenz-Koordinatensystem →relative vBewegung von Platten →Vektordiagramm →Hodograph eine Platte als Ursprung: Geschwindigkeitsvektoren: an Tripeljunction aus 2 Vektoren 3 Vektor →schneiden sich alle fixe Tripeljunction →sonst nicht stabile Stabil nicht stabil Hot-Spot Vulkanismus Hotspot = langlebige vulkanische Gebiete →nicht mit plattentektonische Prozesse (MOR, Subduktionszone,..) →Altersentwicklung & lange Dauer der Vulkane Heisses Mantelmaterial (tiefer Mantel) steigt auf →geringe Dichte & Viskosität →an Unterseite Lithosphäre partielle Aufschmelzung (p,T) →flüchtigere Anteil (leichter, geringer viskos) dringt in Litho →kann bis Kruste(→ durch Brüche /Gänge )→Vulkanismus →Durchbiegen (Gewicht) Platte →kein neuer Vulksn in Nähe→Erosion →Förderschlotte länger Durchdringen abhängig von Auftrieb & Rheologie Litho Teile Schmelze unter Litho gefangen →underplatting Aufwölbung →aus Auftriebskraft Mantelmaterial 1.) warmes Mantelmateril heizt Litho auf →mehr elastisch →isostatisch nach oben Braucht 100 Ma für Konduktive Heizung →so evt. Konvektion 2.) Heisser Ballon(nicht aufheizen)→probiert Litho zu Heben→ Hawaii: Vulkanische Inselkette→ pazifische Platte bewegt sich über Hotspot →neue Schmelze am anderen Ort -→ Ältere Vulkane weiter weg → plötzliche Richtu gsänderung→ Änderung Bewegum um 45 o Bei langsamen Platten →immer(lange) an gleicher Stelle →aus kleinen Plume→ grosser Vulkan Schmelzen: bei normale Manteltemperatur (MOR) aber unter Litho mit höher Temp. →Schmelztemp. (T,p) Normale Temp.(1350⁰ C unter Litho) →schmilzt bei 50km →nur unter dünner/keiner Litho →MOR Wärmere Mantelmaterial schmilzt weiter unten→ Hotspot (>1 Schmelze → Mor18 km3/a) Chemie aus Hotspotbasalt→ Schmelzbedingung, Ursprungsmaterial (% geschmolzen, T, p der Schmelze Z.b: Verhältnis R= 3He/4He Mantel/Schmelze →He leicht→ in Atmo 3He nur bei Entstehung Erde entstanden → 4He auch heute→ ↓R mit Alter R an Hotspot (Inselbasalte) grösser als an MOR Nicht alle Vulkanische Inseln/Seamount sind Hotspots →andere Mechanismus →evt. T ohne Plume nah Solidus →Superplume( Seismik → T höher) oder nässere Gebiete →kleine Änderungen (rifting, lokale Konvektion) →Trigger Referenzsystem. Hotspots bewegen sich mit max mm/a gegeneinander→ Abbilden Mantelströme/Plattenbew. dm/a Seismik →Plume-suche (schmale(50-80km) 1D Linie) & cold slab(grösseres Volumen) →Seismische Wellen lieber durch kalte Zonen (schneller) & slab (Quelle von Seismik) →Slab besser sichtbar Neue auch langsame(warm) Seismik bis Kern/Mantel erkennbar →Plume→ unscharf→ nicht wie ausgedeht Labor: Plumehead (Flutbasaltfalle) &plumetail (track)→Hotspot: Zusammenspiel Tail/Oberfläche →alle starten am head→Schmelze Leben <100 Ma →evt. Starker Auftrieb verantwortlich für Aufbrechen der Kontinente & Massenausdehnung Nahe Rücken Interaktion mit Plume→ geochemische Änderung, höhere Topographie, negative Anomalie, anamalous??? Krustedicke Subduction fractory Material wo mit slab runtergeht . schmelzt z.T vulcanic arc →input=output Wasser wichtig für Schmelze→ kleinere Solidus →Wasser h aus Sedi aber evt schon abgerissen→ o sonst schnelle Erwärmung→schnelle Freigabe Wasser →forc arc →Vulkane abhängig von Alter & Subduktionsrate →alte schnelle: andere p,T als junge langsame andere p-T Fazien o Wasser frei beim wechsel einer Fazies →↑T mehr Wasser als↓ T →junge schneller dehydriert Mantelteil von Platte →heizt weniger schnell auf →Transformation weiter unten→ hält Wasser länger Mitteltiefe Erdbeben wegen dehydration (plötzlich spröd) <40% Wasserwird frei Subduktion Seimsmik: Heiss & Kalt →kalte slabs im Mantel Vulkanismus→Chemie/Petrologie Belastung: aus Beugung & Deformation →Dynamik→gedehnt & zusammengedrückt Exetentional: (Marianas): ald, kalt, schwer →slab subduct schnell (z. T vorTrench(Graben) →Trench Richtung alte Platte →roll back →Trench weg vom Kontinent →Back-arc extension o →neues Basin hinter Subduktion→ evt neue oz. Litho (z.B : Spain, Italien) o Trench mitte der oz. Litho→Vulkanismus →island arc o Kalter slab schnell in Tiefe (bevor aufgeheizt)→Deep seismik o Vertikaler slab grösser Winkel , westlich -compressional type(Chilean): Platte jung/elastisch →resists subduktion →Kompression →back-arc wird dicker →Berge (Anden) →Trench bleibt beim Kontinent →Seismik nicht so tief →flachrer Winkel, östlich Kräfte & Winkel Kräftegleichgewicht (Vplatte=konst) Auftrieb-Gewichtskräfte=Reibungskräfte Kalte Temp im slab→negativer Auftrieb 3*1013N Body Force Dichteunterschiede Kruste -400kg/m3 als Mantel →Gravitation →Basalt –Eklogit(dichter) Umwandlung 30-70km → -Antrieb 400km mantel Transitoins (olivin →Spinnel) klein Frictional Force Bending –Unbending (Un)Beugung & Deformation →horizontale Bewegung in vertikale →Belastung & →braucht 66% der Energie Scher Drag force (wiederstand) Platte bewegt sich mit cm/a über Mantel →Deformation Astheno aus Mantelreibung Eindringen in Mantel →Deformation →gibt 30 % Energie Plate –plate Friction (Reibung) →Braucht weniger al 10% Back arc Wenn Dehnung/Kompression →braucht viel Energie Manchmal Wiederstand (Reibung, -slab pull) grösser als Antrieb(slap pull)→z.b: Kontinent/dicke Oz. Plateau im Weg Subduktion endet→ zuvor subduzierten bleibt hängen→ aufgeheizt →schwächer →abbrechen →in teiferen Mantel Thermal buoyancy (slab pull) - Thermal buoyancy Phase Umwandlung Winkel Winkel abhängig von Belastung→ Kompression kleiner Winkel als Extension Bewegung→ Platte bewegt sich Subduktion steiler als ruhende nicht Alters abhängend: alte, kalte →mehr slap pull→ vertikaler aber schwerer zu beugen (horizontal zu senkrecht) Wahrscheinlich östlicher Mantelfluss →westlich eintauchende steiler als östliche Platte bricht in 2 schwer erklärbar→ nur ridge force (zuwenig) →vorher schon schwach, Elastizität, Wasser, Sedi?? Im Mantel grosser Wiederstand 670km(Spinnel-Perovskite, Endotherm) →einige tauchen weiter ab →z.T flächen ab →andere Konvektion, oberer/untere anderes Reservoir Tektonik der jungen Erde Heute alles ausser Plume abhängig von Plattentektonik Wärmefluss 80 mW/m2 →60% Platte Früher Erde heisser (50 -300oC)→Mantel & Litho schwächer →Viskosität ( T) & Mehr Schmelze→ dickere Kruste →mehr Auftrieb→ weniger Graviative Instabilität→ weniger Subduktion/Plattentektonik →startet vor 40000-2000 Jahren schwache Platten brechen→blockieren slap pull ozeanische Kruste leichter als Mantel→ dickere Kruste →Stabilisation oz. Litho o kühlt länger ab→wird älter bevor es abtaucht→ mehr Wärmefluss aber Basalt -Eklogit Umwandlung (30-100km)→langsam →verhindert Dichtezunahme o wenn gestartet→ geht weiter→ da slab bei Umwandlung genug dicht für slab pull o dicke Kruste mehr Dehydration Abkühlen: Radioaktivität grösser→ weniger Elemente→ weniger Wärmefluss →Tektonik langsam auch Abkühlung 200 mW/m2 Wärmefluss → 4 mal grösser →Wenn Tektonik dann mehr effektiv Mantel Material schwach-Konvektion schwächer→ abkühlend prop zur viskosität→ so früher ganz heiss
