LITHOSPHÄRE

ERDSYSTEME
1. PLATTENTEKTONIK I
2. ERDMAGNETISMUS
3. ERDBEBEN I
4. ERDBEBEN II
5. AUFBAU DER ERDE
6. PLATTENTEKTONIK II
7. DIE KONTINENTEN
BUCH
PRESS, F. UND SIEVER, R., 2003
ALLGEMEINE GEOLOGIE
SPEKTRUM AKADEMISCHER VERLAG
HEIDELBERG
PLATTENTEKTONIK I
DIE GEOSPHÄRE
Die feste Erde oder Geosphäre bildet etwa 99,98% der totalen
Erdmasse und beinhaltet:
(a) die oberflächennahen Sedimente und Böden - sie sind eine
kritische Komponente für das Überleben der Biosphäre, da
sie:
(i)
die meisten Trinkwasserreserven speichern,
(ii) Rohstoffe für die Bauindustrie liefern,
(iii) das Wachstunglebenswichtiger Nährstoffe
ermöglichen,
(iv) Lagerplätze für Mülldeponien darstellen (A1);
(b) die tieferen Sedimentgesteine, die unsere Öl- und GasReserven speichern (A2);
(c) die kristallinen Gesteine, welche wichtige mineralische
Rohrstoffe und Erze enthalten;
(d) die tieferen Bereiche der Erde, welche die nötige Energie
für vulkanische Eruptionen und Erdbebenaktivitäten liefern
(A3);
(e) die tiefsten Bereiche der Erde - hier entsteht das
Erdmagnetfeld, das als wichtige Barriere gegen gefährliche
kosmische Strahlungen wirkt und so das Leben auf der Erde
schützt.
ZUSAMMENSETZUNG DER ERDE
(a), (b) und (c): Die Kruste ist unter Ozeanen 5 - 10 km und
unter Kontinenten 30 - 70 km dick. Sie ist reich an Silikaten.
Die Untergrenze der Kruste, die Krusten-Mantel Grenze, wird
Mohorovicic-Diskontinuität oder einfach MOHO genannt(A4
- links).
(d): Der Mantel erstreckt sich von der Krustenuntergrenze bis
in eine Tiefe von ca. 2900 km. Er enthält eisen- und
magnesiumreiche
Silikate,
deren
Kristallstrukturen
mit
zunehmender Tiefer immer dichter gepackt werden. Die
Untergrenze ist als Kern-Mantel-Grenze oder GutenbergDiskontinuität bekannt.
(e): Der Erdkern beginnt unmittelbar unter dem Mantel und
endet im Mittelpunkt der Erde in 6371 km Tiefe.
Höchstwahrscheinlich besteht er aus einer Eisen-NickelSchwefel-Legierung.
RHEOLOGIE DER ERDE
Die Rheologie ist ein Mass für die Fliessfähigkeit und
Deformierbarkeit
eines
Materials.
Die
rheologischen
Verhältnisse bestimmen das mechanische Verhalten in den
verschiedenen Erdschichten.
Die wichtigsten rheologischen Einheiten sind:
(a) Die Lithosphäre ist der äusserste steife Teil der Erde. Sie
beinhaltet die Kruste und den oberen Mantel, der stark mit
der Kruste verbunden ist. Die Untergrenze der Lithosphäre
liegt höchstwahrscheinlich in einer Tiefe von 70 bis 80 km
unter Ozeanen und 100 bis 150 km unter Kontinenten. Die
Lithosphäre ist in verschiedene Blöcke oder Platten unterteilt
(Lithosphärenplatten). Sie bewegen sich relativ zueinander.
Die Lithosphäre ist recht heterogen (A4 - rechts).
(b) Die Asthenosphäre erstreckt sich von der Untergrenze der
Lithosphäre bis in eine Tiefe von 200-700 km. Man vermutet,
dass diese Region partiell aufgeschmolzen ist und dass
Konvektion auftreten kann.
(c) Die Mesosphäre beinhaltet den restlichen Mantel unter der
Asthenosphäre
bis
zur
Kern-Mantel
Grenze.
Sie
ist
bemerkenswert homogen.
(d) Der äussere Kern ist flüssig und erstreckt bis in eine Tiefe
von 5150 km. Hier entsteht vermutlich das Erdmagnetfeld.
(e) Der innere Kern ist wiederum fest und bildet den innersten
Teil der Erde.
PLATTENTEKTONIK
Entwicklung der Plattentektonik
Die Theorie der Plattentektonik wurde aus den Ergebnissen
von Beobachtungen der Erde während der letzten 200 Jahre
entwickelt (manche Beobachtungen wurden sogar früher
gemacht – z.B. der parallele Verlauf der Kontinentalränder
auf beiden Seiten des Atlantiks). Aber erst in den frühen 70er
Jahren begann man die Theorie in Wissenschaftskreisen zu
akzeptieren.
Die Theorie der Plattentektonik wurde aus folgenden
Hypothesen und Beobachtungen abgeleitet:
 Der Kontinentaldrift (Wegener, 1912) (A5)
(Begründung:
Geologien
korrespondierende
beidseits
des
Küstenverläufe
Atlantiks
und
und
direkte
Beobachtungen von Eisblöcken im nördlichen Eismeer)
 Dem “Seafloor Spreading” (Holmes, 1928; Dietz, 1961,
Hess, 1962) (A6)
 Dem Konzept von starren Platten - Plattentektonik (Tuzo
Wilson, 1965; McKenzie and Parker, 1967; Morgan,
1968; McKenzie and Morgan, 1969) (A7)
Grundlagen
 Die Lithosphäre und die Asthenosphäre spielen für die
Plattentektonik eine sehr wichtige Rolle. Die Lithosphäre
ist die feste äussere Schale, welche auf der schwächeren,
partiell
aufgeschmolzenen
Asthenosphäre
schwimmt
(A8).
 Es gibt 12 grosse und eine Vielzahl von kleinen
Lithosphärenplatten. In grober Näherung können die
Platten als starr angenommen werden. Jede Platte bewegt
sich als eine Einheit (A9).
 Viele grossräumige geologische Merkmale sind mit den
Grenzen zwischen den tektonischen Platten verbunden.
Die meisten tektonischen (vertikale und horizontale
Deformationen,
Entstehung
von
Gebirgsketten,
Erdbeben, Ursprung von Tsunamis) und magmatischen
Aktivitäten
(Vulkanausbrüche)
treten
entlang
der
Plattenränder auf. Diese tektonischen und magmatischen
Aktivitäten sind das Ergebnis von Relativbewegungen
zwischen den Platten und von den treibenden Kräften der
Plattenbewegungen (A10-A12).
Grundlagen
 Tektonische Aktivitäten und Vulkanismus gibt es auch
oberhalb von sogenannten „Hot Spots“ (heisse Flecken)
(A12-A13).
 Unter „Hot Spots” steigen Diapire („Plumes“) aus
heissem Mantelmaterial entlang schmaler Kanäle aus
dem tieferen Erdinneren auf. Die Beziehung zwischen
Manteldiapiren und Konvektionszellen wird immer noch
erforscht.
 Die
Plattenbewegung
Konvektionszellen
im
wird
durch
Erdmantel
grosse
angetrieben.
Radioaktive Elemente und Restwärme (herrührend aus
der
Zeit
der
Erdentstehung)
sind
die
hierfür
verantwortlichen Energiequellen (A14).
 Nur geringe tektonische und vulkanische Aktivitäten gibt
es weiter entfernt von den Plattengrenzen und "Hot
Spots" (A15).
Eigenschaften
der
Erde,
die
durch
die
Plattentektonik erklärt werden können
 Korrespondierende
Küstenverläufe
und
Geologien
(einschliesslich der Paläontologie) beidseits der Ozeane,
insbesondere im Atlantik
 Die Topographie der Kontinente und der Meeresböden
 Alter von Gesteinen auf den Kontinenten, unterhalb der
Meeresböden und auf den ozeanischen Inseln
 Paläomagnetische
Beobachtungen
–
Magnetische
Aufzeichnungen auf den Kontinenten und ozeanischen
Inseln
 Magnetische
Anomalien
auf
den
Meeresböden
Magnetische Aufzeichnungen auf den Meeresböden
 Verteilung des Wärmesflusses unterhalb der Ozeane
 Das Schwerefeld der Erde
–
Eigenschaften
der
Erde,
die
durch
die
Plattentektonik erklärt werden können
 Die Verteilung der Erdbebenhäufigkeit
 Die Richtungen der Plattenbewegungen, bestimmt aus
Erdbebenaufzeichnungen
 Die
Bewegung
der
Kontinente,
abgeschätzt
aus
moderenen Satellitenmessungen
 Verteilung der Vulkane und Art und Abfolge von
Magmen in den verschiedenen vulkanischen Regionen
 Geologie (d.h. Zusammensetzung und Aufbau) der
ozeanischen und kontinentalen Lithosphäre (d.h. die
Kruste und der obere Mantel)
 Die Geologie entlang der Plattengrenzen - Faltengebirge,
gefaltete und geschieferte Gesteine
 Verteilung vieler Öl-, Gas- und Erzverkommen auf der
Erde
1912-1915
1929
1946-1950
Wegener (D) stellt
die Hypothese der
Kontinentaldrift auf.
Sie basiert auf der
Korrelation der
Küstenverläufe und
Geologien
Holmes (U.K.)
schlägt Mantelkonvektionen und
eine Form des
Seafloor Spreading
vor (inklusive
divergente und
konvergente
Plattenbewegungen)
Wissenschaftler
untersuchten den
Meeresgrund mit
Echoloten, Magnetometern und seismischen Methoden
1954
1955-56
1959
Benioff (U.S.A)
beschreibt die
abtauchenden
Zonen von tiefen
Erdbeben unterhalb
von Tiefseegräben
und Inselbögen
Blackett, Irving und
Runcorn (U.K.):
Ergebnisse aus
paläomagnetischen
Messungen an
Gesteinen stützen
die Kontinentaldrift
Hypothese
Heezen & Tharp
(U.S.A): Erste
detaillerte topographische Karten
der Ozeanböden, die
den Verlauf der
Grabensysteme am
mittelozeanischen
Rücken zeigen
1961-1962
Hess und Dietz
(U.S.A) schlagen die
Seafloor Spreading
Hypothese vor
1963
Cox, Doell und
Dalrymple (U.S.A.)
messen magnetische Feldumkehrungen an
Magmen von
Kontinenten und
ozeanischen Inseln
1963
Vine, Matthews
(U.K.) und Morley
(Can) erklären die
ozeanischen
magnetischen Anomalien mit dem
Seafloor Spreading
und magnetischen
Feldumkehrungen
1965
Tuzo-Wilson (Can)
erklärt anhand von
Transformstörung
an mittelozeanischen
Rücken und führt
das Konzept von
starren Platten ein
1966-1968
Opdyke, Pitman und
Hiertzler (U.S.A.)
bestimmen magnetische Anomalien
und Krustenalter
verteilt über alle
Ozeane
1968....
Altersbestimmung
an Bohrkernen bestätigen die Hypothese des Seafloor
Spreading und
erklären magnetische Anomalien
1967-69
1968
1969-72
Tuzo-Wilson (Can),
McKenzie, Parker
(U.K.), Morgan
U.S.A.) und
LePichon (F) führen
die Plattentektonik
ein
Oliver, Sykes und
Isaacs (U.S.A.)
zeigen, wie Epizentren und Erdbebenmechanismen
anhand der
Plattentektonik erklärt werden können
Dewey (U.K.), Bird
(U.S.A.) und Atwater
(U.S.A.) zeigen, dass
die Plattentektonik
die jungen Anteile
der Geologie auf
den Kontinenten
erklären kann
1980s
1990....
1990....
Untersuchungen
weisen darauf hin,
dass auch die sehr
alten Anteile von der
kontinentalen
Geologie anhand
der Plattentektonik
erklärt werden
können
Seismische
Tomographie
ermöglicht es,
Konvektionsmuster
im Erdmantel, die
die Plattentektonik
antreiben, zu
skizzieren
Mit Hilfe von Satellitenbeobachtungen
können die Relativbewegungen der
Platten gemessen
werden
Übergangs-Kruste
 Nicht alle Gegenden, die unter Wasser liegen, sind
geologisch gesehen ozeanischer Natur: die Seen, die
Flüsse
und
das
meiste
Gebiet
an
den
Kontinentalrändern befinden sich entweder auf
kontinentaler Kruste, oder "Übergangs-Kruste".
 "Übergangs-Kruste" bedeutet, dass die Kruste nicht
eindeutig kontinentaler, und auch nicht eindeutig
ozeanischer Natur ist.
 Die
ozeanische Kruste macht ca. 60 bis 65% der
Erdoberfläche aus, während die "ÜbergangsKruste" und kontinentale Kruste den Rest der
Erdoberfläche bedecken (A16a-A16b).
Plattengrenzen
Die Lithosphärenplatten der heutigen Erde. Auf dieser
Gesamtansicht sind die Plattengrenzen – an denen Platten
sich trennen, miteinander kollidieren oder aneinander
vorbeigleiten – durch weise Linien dargestellt (A17).
Drei Typen von Plattengrenzen:
 An divergierenden Plattengrenzen driften die
Platten A und B auseinander.
 An konvergierenden Plattengrenzen Platte B und C
kollidieren.
 Bei der Transformstörung gleiten die Platten A und
B aneinander vorbei (A18).
Die mittelozeanischen Rücken sind primäre tektonische
Plattenränder. Man nennt sie divergente Plattenränder
oder auch Extensionsplattenränder.
Island, ein über dem Meeresspiegel liegender Teil des
Mittelatlantischen
Rückens,
vergrössert
sich
durch
wiederholte Spalteneruptionen und seitliche Dehnung
(A19-A20).
Die
gesamten
mittelozeanischen
Rückensysteme
generieren im Durchschnitt ca. 2,5 km3 neues ozeanisches
Krustenmaterial pro Jahr (A21).
Tiefseegräben, vulkanische Inselbögen und Gebirgszüge
kommen am zweiten Typus tektonischer Plattenrändern
vor: an den sogenannten Subduktionszonen. Subduktionszonen sind konvergente, Kompressions-Plattenränder
(A22).
Wir wissen, dass sich die Erdoberfläche nicht messbar
vergrössert. Daraus folgt, dass die Menge des an den
mittelozeanischen Rücken und vulkanischen Inselketten
gebildeten Materials, der Menge des subduzierten älteren
Krustenmaterials entsprechen muss.
Einer
Ozean-Ozean-Plattenkollision
und
die
entsprechende Subduktion lassen typische Gesteinstypen
entstehen. Die ozeanische Kruste wird von Magmen
intrudiert, und es bildet sich ein Inselbogen mit Vulkanen
aus basischen und intermediären Laven (A23).
Bei
einer
Ozean-Kontinent-Plattenkollision
und
die
entsprechender Subduktion sind ozeanische Tiefseerinnen,
tektonische
Mélangen,
magmatische
Gürtel,
Metamorphose und Vulkanismus typisch (A24).
Am Rand eines Kontinents wird eine Platte subduziert, die
ebenfalls einen Kontinent trägt. (a) Zunächst bildet sich
die
gleiche
Struktur
wie
beim
Abtauchen
einer
ozeanischen Platte, (b) bis dann die Kontinente kollidieren
- Kontinent-Kontinent-Plattenkollision (A25-A29).
Der dritte und letzte tektonische Plattenrand-Typus
befindet sich dort, wo Material weder gebildet noch
zerstört
wird.
Diese
Plattengrenzen
nennt
man
konservierende Plattengrenzen oder Transformstörungen
(A30-A33).
Am Meeresboden bewegen sich die Platten entlang einer
Transformstörung in den gegeneinander versetzten
Bereichen jeweils in entgegengesetzter Richtung, in
anderen Abschnitten der Transformstörung jedoch in
derselben Richtung. Wegen des Altersunterschiedes der
Böden entlang der Transformstörung kann es zur
Ausbildung einer steilen Bruchstufe kommen (A34).
Die San-Andreas-Störung ist eine Transformstörung, an
der die Pazifische und die Nordamerikanische Platte
aneinander vorbeigleiten (A35).
Plattengrenzen - Zusammenfassung (A36-A37)
Hotspots
 Zahlreiche Berge auf dem Ozeanboden (Seamounts)
und ozeanische Inseln sind über sämtliche ozeanische
Bereiche verstreut.
 Sie entstanden über sogenannten "Mantel Hotspots"
(auch "Mantel-Plumes" genannt).
 Die linearen Anordnungen von ozeanischen Inseln, die
weit weg von ozeanischen Rücken sind, bezeichnen
wir als 'vulkanische Inselketten'.
 Ein berühmtes Beispiel dafür ist die Hawaii-EmperorInselkette (A38-A41).
Rekonstruktion des ehemaligen Kontinents
Pangaea
Vor 150 Millionen Jahren existierte der Atlantik noch
nicht. Nordamerika und Europa waren zu einer riesigen
Landmasse verbunden, der sogenannten Pangea. Pangea
umfasste
ebenfalls
Südamerika,
Afrika,
Australien,
Antarktis, Indien, Madagaskar und Asien (A42-A44).
Die Plattenrekonstruktionen in Abbildungen A43 ist das
Resultat
einer
mathematischen
Anpassung
der
bathymetrischen 500 m Isolinie, die in vielen Regionen den
Rändern der Kontinente entspricht.
In der Karte sind die einander entsprechenden sehr alten
präkambrischen (>1000Ma) Kratone in den zusammenpassenden Gebieten von Südamerika und Afrika sowie von
Nordamerika und Europa in orange dargestellt (A45).
Eine Rekonstruktion des ehemalige Kontinents Pangaea
und die geologischen Belege aus dieser Zeit. Der Ural und
andere alte Gebirge enthalten Ophiolithkomplexe, die als
Suturlinien von verschwundenen Ozeanen zeugen (A46).
Dolerit aus dem Mesozoikum
Glaziale Ablagerungen aus dem Permokarbon
(225-345 Ma)
Präkambrischer Anorthosit (A47)
Tropische "Laurasia" Flora (Vegetation)
Polare "Gondwana" Flora (Vegetation)
Marine "Tethys" Foraminiferen (A48; siehe A49)
Pfeile - Richtungen der Gletscherbewegungen (250-300Ma)
Gebiete von tropischen Regenwäldern (300Ma), die für die
heutigen
Kohlevorkommen
verantwortlich
sind.
Zu
späteren Zeiten kam es in derselben Region zur
Wüstenbildung (A49; siehe A48).
 Fossilien des Reptils Mesosaurus aus dem höheren
Paläozoikum wurden weltweit nur in Südamerika und
Afrika gefunden.
 Wenn
der
landlebende
Mesosaurus
über
den
Südatlantik hätte schwimmen können, dann hätte er
auch andere Ozeane überqueren und sich auf anderen
Kontinenten weiterverbreiten können.
 Da das Fossil nirgends sonst auf der Erde vorkommt,
scheint
sich
die
Theorie
zu
bestätigen,
dass
Südamerika und Afrika früher zusammenhingen
(A50).
Das Rote Meer teilt sich in den Golf von Suez (links) und
den Golf von Akaba (rechts). Das Wegdriften der
Arabischen
Platte
von
Afrika
liess
diese
grosse
Riftstruktur aufreissen, die heute vom Roten Meer
überflutet ist. Der Nil fliesst nach Norden in das
Mittelmeer (A51-A53).
Die Zusammenschluss von Pangaea
vor 750 Mj  vor 260 Mj (A54).
Das Auseinanderbrechen von Pangaea Pangaea
vor 200 Mj  Heute (A55-A56).
Die Zukunft
Heute  + 50 Mj (A57).