ERDSYSTEME BUCH 1. PLATTENTEKTONIK I 2. ERDMAGNETISMUS 3. ERDBEBEN I 4. ERDBEBEN II PRESS, F. UND SIEVER, R., 2003 ALLGEMEINE GEOLOGIE SPEKTRUM AKADEMISCHER VERLAG HEIDELBERG 5. AUFBAU DER ERDE 6. PLATTENTEKTONIK II 7. DIE KONTINENTEN 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: (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); (i) die meisten Trinkwasserreserven speichern, (ii) Rohstoffe für die Bauindustrie liefern, (e) die tiefsten Bereiche der Erde - hier entsteht das (iii) das Wachstunglebenswichtiger Nährstoffe Erdmagnetfeld, das als wichtige Barriere gegen gefährliche ermöglichen, (iv) Lagerplätze für Mülldeponien darstellen (A1); (b) die tieferen Sedimentgesteine, die unsere Öl- und GasReserven speichern (A2); kosmische Strahlungen wirkt und so das Leben auf der Erde schützt. ZUSAMMENSETZUNG DER ERDE RHEOLOGIE DER ERDE (a), (b) und (c): Die Kruste ist unter Ozeanen 5 - 10 km und Die Rheologie ist ein Mass für die Fliessfähigkeit und unter Kontinenten 30 - 70 km dick. Sie ist reich an Silikaten. Deformierbarkeit Die Untergrenze der Kruste, die Krusten-Mantel Grenze, wird Verhältnisse bestimmen das mechanische Verhalten in den Mohorovicic-Diskontinuität oder einfach MOHO genannt(A4 verschiedenen Erdschichten. eines Materials. Die rheologischen - links). Die wichtigsten rheologischen Einheiten sind: (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. (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 (e): Der Erdkern beginnt unmittelbar unter dem Mantel und (Lithosphärenplatten). Sie bewegen sich relativ zueinander. endet im Mittelpunkt Die Lithosphäre ist recht heterogen (A4 - rechts). der Erde in 6371 km Tiefe. Höchstwahrscheinlich besteht er aus einer Eisen-NickelSchwefel-Legierung. (b) Die Asthenosphäre erstreckt sich von der Untergrenze der Lithosphäre bis in eine Tiefe von 200-700 km. Man vermutet, PLATTENTEKTONIK dass diese Region partiell aufgeschmolzen ist und dass Entwicklung der Plattentektonik Konvektion auftreten kann. Die Theorie der Plattentektonik wurde aus den Ergebnissen (c) Die Mesosphäre beinhaltet den restlichen Mantel unter der von Beobachtungen der Erde während der letzten 200 Jahre Asthenosphäre entwickelt (manche Beobachtungen wurden sogar früher bis zur Kern-Mantel Grenze. Sie ist bemerkenswert homogen. gemacht – z.B. der parallele Verlauf der Kontinentalränder auf beiden Seiten des Atlantiks). Aber erst in den frühen 70er (d) Der äussere Kern ist flüssig und erstreckt bis in eine Tiefe Jahren begann man die Theorie in Wissenschaftskreisen zu von 5150 km. Hier entsteht vermutlich das Erdmagnetfeld. akzeptieren. (e) Der innere Kern ist wiederum fest und bildet den innersten Teil der Erde. Die Theorie der Plattentektonik wurde aus folgenden Hypothesen und Beobachtungen abgeleitet: 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, • Der Kontinentaldrift (Wegener, 1912) (A5) (Begründung: Geologien korrespondierende beidseits des Küstenverläufe Atlantiks und und partiell aufgeschmolzenen Asthenosphäre schwimmt (A8). direkte Beobachtungen von Eisblöcken im nördlichen Eismeer) • Es gibt 12 grosse und eine Vielzahl von kleinen Lithosphärenplatten. In grober Näherung können die Platten als starr angenommen werden. Jede Platte bewegt • Dem “Seafloor Spreading” (Holmes, 1928; Dietz, 1961, sich als eine Einheit (A9). Hess, 1962) (A6) • Viele grossräumige geologische Merkmale sind mit den Grenzen zwischen den tektonischen Platten verbunden. • Dem Konzept von starren Platten - Plattentektonik (Tuzo Wilson, 1965; McKenzie and Parker, 1967; Morgan, Die meisten tektonischen (vertikale und horizontale Deformationen, Entstehung von Gebirgsketten, Erdbeben, Ursprung von Tsunamis) und magmatischen 1968; McKenzie and Morgan, 1969) (A7) 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 Eigenschaften • Tektonische Aktivitäten und Vulkanismus gibt es auch oberhalb von sogenannten „Hot Spots“ (heisse Flecken) (A12-A13). heissem Mantelmaterial entlang schmaler Kanäle aus dem tieferen Erdinneren auf. Die Beziehung zwischen Manteldiapiren und Konvektionszellen wird immer noch erforscht. Plattenbewegung im wird durch Erdmantel grosse angetrieben. Radioaktive Elemente und Restwärme (herrührend aus Zeit die durch die Plattentektonik erklärt werden können • Korrespondierende Küstenverläufe und Geologien insbesondere im Atlantik • Die Topographie der Kontinente und der Meeresböden • Alter von Gesteinen auf den Kontinenten, unterhalb der Meeresböden und auf den ozeanischen Inseln Konvektionszellen der Erde, (einschliesslich der Paläontologie) beidseits der Ozeane, • Unter „Hot Spots” steigen Diapire („Plumes“) aus • Die der 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). • 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 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 • Die Richtungen der Plattenbewegungen, bestimmt aus Erdbebenaufzeichnungen • Die Bewegung der Kontinente, abgeschätzt aus moderenen Satellitenmessungen • Verteilung der Vulkane und Art und Abfolge von 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 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) 1961-1962 1963 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 • Die Geologie entlang der Plattengrenzen - Faltengebirge, gefaltete und geschieferte Gesteine Vine, Matthews (U.K.) und Morley (Can) erklären die ozeanischen magnetischen Anomalien mit dem Seafloor Spreading und magnetischen Feldumkehrungen • Verteilung vieler Öl-, Gas- und Erzverkommen auf der Erde 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 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 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 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 mittelozeanischen Rücken sind primäre tektonische Plattenränder. Man nennt sie divergente Plattenränder Die Lithosphärenplatten der heutigen Erde. Auf dieser oder auch Extensionsplattenränder. Gesamtansicht sind die Plattengrenzen – an denen Platten sich trennen, miteinander kollidieren oder aneinander vorbeigleiten – durch weise Linien dargestellt (A17). Island, ein über dem Meeresspiegel liegender Teil des Mittelatlantischen Drei Typen von Plattengrenzen: An divergierenden Plattengrenzen driften die Rückens, vergrössert sich durch wiederholte Spalteneruptionen und seitliche Dehnung (A19-A20). Platten A und B auseinander. An konvergierenden Plattengrenzen Platte B und C kollidieren. Die gesamten mittelozeanischen Rückensysteme generieren im Durchschnitt ca. 2,5 km3 neues ozeanisches Krustenmaterial pro Jahr (A21). Bei der Transformstörung gleiten die Platten A und B aneinander vorbei (A18). Tiefseegräben, vulkanische Inselbögen und Gebirgszüge Einer kommen am zweiten Typus tektonischer Plattenrändern vor: an den sogenannten Subduktionszonen. Subduktionszonen sind konvergente, Kompressions-Plattenränder 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). (A22). Bei Wir wissen, dass sich die Erdoberfläche nicht messbar einer und die entsprechender Subduktion sind ozeanische Tiefseerinnen, tektonische vergrössert. Daraus folgt, dass die Menge des an den Ozean-Kontinent-Plattenkollision Mélangen, magmatische Gürtel, Metamorphose und Vulkanismus typisch (A24). mittelozeanischen Rücken und vulkanischen Inselketten gebildeten Materials, der Menge des subduzierten älteren Am Rand eines Kontinents wird eine Platte subduziert, die ebenfalls einen Kontinent trägt. (a) Zunächst bildet sich Krustenmaterials entsprechen muss. 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 Hotspots man Zahlreiche Berge auf dem Ozeanboden (Seamounts) konservierende Plattengrenzen oder Transformstörungen und ozeanische Inseln sind über sämtliche ozeanische (A30-A33). Bereiche verstreut. Am Meeresboden bewegen sich die Platten entlang einer Transformstörung in den gegeneinander versetzten Sie entstanden über sogenannten "Mantel Hotspots" (auch "Mantel-Plumes" genannt). Bereichen jeweils in entgegengesetzter Richtung, in anderen Abschnitten der Transformstörung jedoch in Die linearen Anordnungen von ozeanischen Inseln, die derselben Richtung. Wegen des Altersunterschiedes der weit weg von ozeanischen Rücken sind, bezeichnen Böden entlang der Transformstörung kann es zur wir als 'vulkanische Inselketten'. Ausbildung einer steilen Bruchstufe kommen (A34). Ein berühmtes Beispiel dafür ist die Hawaii-EmperorDie San-Andreas-Störung ist eine Transformstörung, an Inselkette (A38-A41). der die Pazifische und die Nordamerikanische Platte aneinander vorbeigleiten (A35). Plattengrenzen - Zusammenfassung (A36-A37) Rekonstruktion des ehemaligen Kontinents In der Karte sind die einander entsprechenden sehr alten Pangaea präkambrischen (>1000Ma) Kratone in den zusammenVor 150 Millionen Jahren existierte der Atlantik noch nicht. Nordamerika und Europa waren zu einer riesigen passenden Gebieten von Südamerika und Afrika sowie von Nordamerika und Europa in orange dargestellt (A45). Landmasse verbunden, der sogenannten Pangea. Pangea umfasste ebenfalls Südamerika, Afrika, Australien, Eine Rekonstruktion des ehemalige Kontinents Pangaea Antarktis, Indien, Madagaskar und Asien (A42-A44). und die geologischen Belege aus dieser Zeit. Der Ural und Die Plattenrekonstruktionen in Abbildungen A43 ist das Resultat einer mathematischen Anpassung der andere alte Gebirge enthalten Ophiolithkomplexe, die als Suturlinien von verschwundenen Ozeanen zeugen (A46). bathymetrischen 500 m Isolinie, die in vielen Regionen den Rändern der Kontinente entspricht. Dolerit aus dem Mesozoikum Glaziale Ablagerungen aus dem Permokarbon (225-345 Ma) Präkambrischer Anorthosit (A47) Tropische "Laurasia" Flora (Vegetation) Fossilien des Reptils Mesosaurus aus dem höheren Polare "Gondwana" Flora (Vegetation) Marine "Tethys" Foraminiferen (A48; siehe A49) Paläozoikum wurden weltweit nur in Südamerika und Afrika gefunden. Wenn Pfeile - Richtungen der Gletscherbewegungen (250-300Ma) Gebiete von tropischen Regenwäldern (300Ma), die für die heutigen Kohlevorkommen verantwortlich sind. Zu der landlebende Mesosaurus über den Südatlantik hätte schwimmen können, dann hätte er auch andere Ozeane überqueren und sich auf anderen Kontinenten weiterverbreiten können. späteren Zeiten kam es in derselben Region zur Da das Fossil nirgends sonst auf der Erde vorkommt, Wüstenbildung (A49; siehe A48). 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 A vor 260 Mj (A54). Das Auseinanderbrechen von Pangaea Pangaea vor 200 Mj A Heute (A55-A56). Die Zukunft Heute A + 50 Mj (A57).