1 Spicker Lithosphäre Daniel von Känel
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1 Spicker Lithosphäre Daniel von Känel Isostatische Modelle: Pratt‐Hayford: Airy: Vening‐Meinesz: Dichte ändert sich Mächtigkeit der Kruste Platte ist ideal lateral ändert sich elastisch Isostasie: Hauptsächlich vertikale Bewegung Plattentektonik: Horizontale und vertikale Bewegungen Berechnung isostat. Glgw: pk x g x hk = pw x g x hw + po x g x ho + pm x g x (hc – hw – ho) Lithosphärendicke in km: Definition Ozean Kraton Alpen Methode Alter der ozeanischen Lithosphäre Erdbebenwellen Lithosphäre‐Asthenosphärengrenze: vs stark erniedrigt Wärmebilanz Erdoberfläche: Sonneneinstrahlung 5.4 1024 J = 400 W/m3 / Geothermik 1.4 1021 J = 0.08 W/m3 / Gezeitenreibung 1020 J / 19 Erdbeben 10 J Motor aller Prozesse in der Erde ist die Wärme aus dem Erdinnern. Wärmetransport: Wärmeleitung (Konduktion; Massentransport) / Konvektion (Massentransport) / Advektion (Flüssig) / Strahlung W-Leitung Konv./Adv. Radio Adiab. Reib Wärmetransportgleichung: Thermal 125-150 225 70-80 T aus Mantel +W Mechanisch 30-40 90 38 Isotherme Chemisch 35-50 200 Dichte Wärmefluss an der Erdoberfläche: Seismisch <100 <200 130 Vs Periodiesche / Aperiodische Änderungen erfordern Korrektur (>20 nur noch Eiszeitkorrektur. Elastisch 3-5 10-35 10-15 Model Erdwärme: Warum Seismik? Gravimetrie: Schwereanomalien sind mehrdeutig Physikalische Parameter von seismischen Methoden für Strukturbild: Latente Wärme: Gefrieren des Erdkerns Akkretionswärme: Gravitative Separation Phys. Parameter Methode Tiefe / Auflösung → Heat Geneneration: Radioaktiver Zerfall: Refraktions0-150 km Tiefe / KKruste (1 μWm‐3) / OKruste (0.5 μWm‐3) / Mantel (0.02 μWm‐3) vp = = Seismik (Weitw.) Bis 50 km gut T Auflösung: 2-3 km = 30°/km Kond. Lithosphäre – Therm. Gr. Dispersion der 0-3000 km Tiefe 6 vs = vβ = wobei Ra = 10 Konvektiver adiab. Erdmantel = 0.5°/km OberflächenAuflösung >50 km Kond. K‐M‐Grenze – Therm. Gr. wellen , , ,… h Seismische Ganze Erde vp,vs = , , Konvektion: Zwei Grenzschichten (heisse und kalte) nötig. Tomographie Aufl. 10 km Lithos / Konvektion ist adiabatisch; im Mantel aufgrund , (Durchleuchten) 100 km Asthenos Moho: Die Mohorovicic‐Diskontinuität ist die seismisch best Rayleigh Zahl: Ra<1000 Kond. Ra>1000 Konv. abbildbare Schichtgrenze in der Erde. Wegen der Änderung im Chemismus der Gesteine nehmen die seismischen Geschwindigkeiten Der Wärmetransport vom heissen Erdinnern durch den Mantel und innerhalb eines Tiefenbereichs von bloss ca. 2 km um bis zu 25% zu. durch die isolierende Lithos bis zur Abstrahlung an der Erdoberfläche Kontinentale Kruste: Granitische Oberkruste / basalt. Unterkruste: ist verantw. für Bewegung der Platten → Motor der Pla entektonik Oberflächenwärmefluss [mW/m2]: qOz = 101 / qKo = 65 / qGlobal = 87 AKruste + WAuskühlung + WAnfrieren q = qAsthenos + qOz =10%=10 mW/m2 5%=5 mW/m2 (85%=84 mW/m2 ) qKo=20%=13 mW/m2 55%=30 mW/m2 25%=15 mW/m2 0% An MORs verliert die Erde 80% der inneren Wärme (Φ Ozeane 75%) Alter Lithosphäre ∆ Wärmefluss 2 A: [Mio a] Wärmefluss [mW/m ] √ Die Laufzeiten der seismischen Wellen sind nicht nur von der Mächtigkeit Lithos [km] 10 ∙ √ Entfernung zwischen Sender und Empfänger, sondern auch von den Wassertiefe Ozean [km] 2.5 0.35 ∙ √ geographischen Koordinaten abhängig! Gut geeignet für die Bestimmung der durchschnittlichen Geschwindigkeits‐Tiefen‐Relation für die obersten 300 km sind Oberflächenwellen: Rayleigh und Love. Deren Laufzeiten hängen von den Eigenschaften Kruste/Mantel ab, bzw. dem rheologischen Zustand ab. Flüssig → Abfahll vs Seismische Absorption (Q) entsteht durch Anelastizität und Streuung. Grosses Q → kleine Absorp on / Kleines Q → grosse Absorp on Lithosphäre in Europa: Kratone / Normal / Tektonisch überprägt 2 Spicker Lithosphäre Daniel von Känel Geothermie: Verschiedene Tiefen: Bis 100m: T=14°C → Benö gt zus. Energie für Wärmepumpe 5000m: T>100°C→ Problem: Rich ge Permeabilität → Erdkruste ist angespannt + + + + + + + + + + + + + + → Erzeugung der Permeabilität ++++++++++++++ Durch Pumpen von Wasser mit ++++++++++++++ Hohem Druck → Erdbeben → Basel war güns g, da Infrastruktur + Abnehmer vorhanden / hoher thermischer Gradient durch Rheingraben Rheologie (Verhalten unter Belastung) des Mantels: Visko‐Elastisch Elastische Rheologie: Dehnung proportional zur Belastung Viskose Rheologie: Die Dehnungsrate ist proportional zur Belastung Maxwellzeit der Erde/Mantel: TM = 1‘000 Jahre (t<1000a → Elas sch) Endmemeber: ‐1 Erdbebenwellen v = 8‐12 kms über Minuten ‐1 Konvektion v = 20 cma über 100 Mio Jahre Chander Wobble: Grosse Beben (>7) → Zi ern der Erdrota onsachse Rheologie der Lithosphäre: Elasto‐Plastisch Plastische Rheologie: Spröd (bei σY = σB bricht das Material und die Spannung fällt auf null) und Duktil (bei σY = σD setzt Materialfluss ein, der ähnlich aber schneller als viskoses Fliessen ist). σ = Belastungsgr. σB abhängig von Druck = Tiefe / σD abhängig von Temperatur Übergang Spröde‐Duktil → max. Tiefe für Erdbeben Differentiation der Asthenosphäre: Beim Prozess der partiellen Aufschmelzung des Mantelmaterials aufgrund von Druckverminderung bei nur geringer Temperaturabnahme (Dekompressionsschmelze) werden die leichteren Elemente zuerst ausgeschieden. Es entsteht eine leichte Basalt‐Schmelze, welche bis zur Oberfläche aufsteigen kann und ein schweres Restitut an „verarmtem“ Peridotit, welche zu ozeanischer Mantel‐Lithosphäre abkühlt. Je höher die Schmelztemperatur, desto: mafischer die Schmelze / grösser das Volumen von partiell aufgeschmolzenem Material / dichter das Magma / schwerer / länger bleibt es unten in Form der stabilen Kiele der alten Kratone. ; ä ö ü Triple Junctions: Stabil ( ≠ sta onär zu jeder Pla e), wenn sich die Vektoren der TJ kompensieren. An den destruktiven Plattengrenzen „wachsen die Kontinente“. Hotspots: a) Aufschmelzen → Vulkanismus / b) Aufwölbung Hotspot: Langlebiges vulkanisches Zentrum, auf der Oberfläche der Erde sichtbar und scheinbar nicht mit der Plattentektonik verknüpft. Normalerweise nicht an Plattengrenzen (Ausnahme: Island) Entstehung: Folge von Interaktion zwischen Mantelströmung und Lithosphäreprozessen: Heisses Mantel‐Material bewegt sich aufwärts und erreicht Unterseite der Lithosphären‐Platte. Hotspotreferenzsystem: Ist möglich, da Hotspots sich gegeneinander mit max 1‐2 mm/yr, Platten jedoch mit 10cm/yr bewegen. Hotspot‐Swell um Hawaii: ± 1000 km breit, 1 km hoch, nicht isostatisch, entstand durch Erosion von Lithos von unten → Hebung oder durch Unterplating von heissem Mantelmaterial. Theorien: Verschiedene Modelle Plume‐dominated (Superplume Heat Transfer; Pangäazeit) Plate‐dominated (Migration velocity) Mantle‐Plume‐Model (a) Hawaii: 2 Linien Mantle‐Blob‐Model (b) Propagating‐Crack‐Model (c) a) b) c) Bildung neuer Brüche: Plume: 3 Spicker Lithosphäre Daniel von Känel Subduktion: Umwandlung ozeanischer Kruste in kontinentale An destruktiven Plattengrenzen wachsen die Kontinente Terrane: Angeschmiedete Inselketten (z.B. Wrangelina) Ozean‐Ozean‐Kollision: Ältere; dichtere Platte wird subduziert Old‐Plate‐Subduction: →W Young‐Plate‐Subduction: →E Lithosphäre ist bis 18 Mio a leichter als Asthenosphäre. Beginn einer Subduktion: Brechen einer Platte durch Auflast Brechen einer Platte durch spezielle Mantelströmung → Zusätzliche Einflüsse von Wasser / Elastizität der Platte Bogenform der Subduktion: Erde ist eine Kugel → nur geringer Effekt Mantelströmungen Diche der aufliegenden Sedimente In Realität viele Plateaus vorhanden → Bestes Modell Subduction Factory: Wasser ist der Schlüssel fürs Aufschmelzen in Subd. Zonen In 95 – 120 km dringt Schmelze in den darüberliegenden Mantel ein → bis oben zum Vulkan Asthenosphäre klebt an der kalten subduzierenden Platte und wird mit runtergezogen → Heisses Material muss aufsteigen Mantelkeil: Geschmolzen → langsame Erdbebengeschwindigkeit Bei alter/schneller Platte heisser, bei junger/langsamer Pl. kühler Junge Platten dehydrieren schneller und weiter oben Upper Zone: Dehydration von Basalt Lower Zone: Dehydration von Serpentin (Wassergesättigt) Plattentektonik der jungen Erde: (ca. 50‐300°C heisser) Hinweis auf andere Plattentektonik: Kratone aus dem Präkambr. ΔT: Schwächere Asthenos (→ Schneller? Oder Slab Breakof?) Langsame Eklogitisierung verhindert Dichtezunahme in subduzierender Lithosphäre und erschwert damit Subduktion → Kein Slab Pull → Bleibt mehr bas. Kruste erhalten? Nur: Wir finden keine Ophiolithe: → Also andere Form von ozeanischer Lithoshpärensubduktion → Andere Plattentektonik Alternative Modelle: Crustal Delamination / Flake Tectonics Plattentektonik startete zw. 4000 – 2000 Mio a Slab Detachement :
