Entwicklung der Litho- und Biosphäre (Geologie)

Entwicklung der Litho- und
Biosphäre (Geologie)
Prof. Dr. Eckart Wallbrecher
Winter-Semester 2004/05
Mo, Di, Mi, Do 9.15 – 10.00 Uhr
Hörsaal Mineralogie
Lehrbücher der Allgemeinen Geologie
Historisch wichtige Publikationen
Stellung der Geologie in den Naturwissenschaften
NachbarNachbar-und
undHilfswissenschaften:
Hilfswissenschaften:
Physik
Chemie
Biologie
Physik
Chemie
Biologie Astronomie
Astronomie Mathematik
Mathematik
Dynamik,
StoffumDynamik,
Stoffum- Fossilien
Fossilien Frühzeit
Frühzeitder
der QuantifizieQuantifizieKinematik
rung,
Kinematik wandlungen
wandlungen SedimenSedimen- Erde
Erde
rung,
Atomphysik
tation
Modelle
Atomphysik
tation
Modelle
Erdwissenschaften:
Erdwissenschaften:
feste
festeErde
Erde
Geologie
Geologie
Geophysik
Geophysik
Geochemie
Geochemie
Paläontologie
Paläontologie
Petrologie
Petrologie
Mineralogie
Mineralogie
Geomorphologie
Geomorphologie
Atmosphäre
Atmosphäre
Meteorologie
Meteorologie
Hydrosphäre
Hydrosphäre
Ozeanographie
Ozeanographie
Geologie:
Verschiedene
VerschiedeneForschungsansätze:
Forschungsansätze:
1)
1)genetisch,
genetisch,
historisch
Historische
historisch
Historische Geologie
Geologie
2)
2)kausalanalytisch
kausalanalytisch
Allgemeine
Allgemeine Geologie
Geologie
Allgemeine Geologie
Forschungsziel:
Forschungsziel:
Verstehen
Verstehender
dergeodynamischen
geodynamischenProzesse
Prozesse
Herkunft
Herkunftder
derKräfte:
Kräfte:
Aus
Endogene
Ausdem
demErdinneren
Erdinneren
Endogene Prozesse
Prozesse
z.B.
z.B.Wärmehaushalt,
Wärmehaushalt,Wärmetransport
Wärmetransport
Geotektonik
Geotektonik(Plattenbewegungen)
(Plattenbewegungen)
Gebirgsbildung
Gebirgsbildung
Von
Exogene
Vonaußen
außen(von
(vonder
derSonne)
Sonne)
Exogene Prozesse
Prozesse
z.B.
z.B.Verwitterung,
Verwitterung,Sedimentation
Sedimentation
Herkunft der Energie:
Exogen: Solarkonstante 1367 W
2
m
(extraterrestrisch)
Endogen
Endogen :: Erdwärme
Erdwärme (Geothermik)
(Geothermik)
a)
a) primordial
primordial
b)
b) neu
neu entstehend
entstehend
Wärme steuert geodynamische
und geochemische Prozesse
Tektonische
Tektonische Prozesse
Prozesse (Plattenbewegung)
(Plattenbewegung)
Magmatismus
Magmatismus
Metamorphose
Metamorphose
Die einzelnen Schalen der Erde
km
0
-35
-135
-235
-400
}Kruste
}
Lithosphäre
}
}
Asthenosphäre
Oberfläche
Oberer Mantel
}
Übergangszone
-1500
}
Unterer Mantel
-2885
}
Äußerer Kern
-5155
-6370
Kern
}Innerer
Mittelpunkt
Seit wann?
Alter
Alter der
der Erde
Erde und
und der
der Planeten:
Planeten: 4.56
4.56 Ga
Ga
Terrae
:: 4.55
Terrae des
des Mondes
Mondes
4.55 Ga
Ga
Älteste
Älteste Gesteine
Gesteine (Isua-Gneise):
(Isua-Gneise): 3.8
3.8 Ga
Ga
Wie ist die Verteilung fest – flüssig?
Diese Frage läßt sich mit dem Studium
der Seismizität beantworten
Kompressionsoder Longitudinalwellen
(Primärwellen)
Dieser Wellentyp
kann auch Flüssigkeiten durchdringen
Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995
Scher- oder TransVersalwellen
(Sekundärwellen)
Dieser Wellentyp
kann Flüssigkeiten
nicht durchdringen
Ausbreitung von P- und S-Wellen
S-Wellen hören an der Grenze
zum äußeren Erdkern auf.
Hieraus kann man schließen, daß
dieser flüssig sein muß.
Aus Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995
Verlauf der P-Wellen:
Die Schattenzone ist der
Bereich, in den die P-Wellen
nicht gelangen, weil sie vom
Kern abgelenkt werden
Das Magnetfeld der Erde
Das Magnetfeld entsteht durch einen Dynamo
aus innerem Kern (Eisen, fest) und Konvektionen im äußeren Kern (flüssig)
Aus Jeanloz (Spektrum), 1987
Zustände der Erdschalen:
Innerer Kern : fest
Äußerer Kern: flüssig
Mantel :
fest
Asthenosphäre: plastisch
Die äußeren Schalen der Erde
Petrologie von Kruste und Mantel
kontinental: Granit
Orthoklas KAlSi3o8
Albit
NaAlSi3O8
Quarz
SiO2
ozeanisch: Basalt
Anorthit CaAl2Si2O8
Albit
NaAlSi3O8
Peridotit
Olivin (Mg,Fe)2SiO4
Pyroxen Mg2Si2O6
Kruste
Mantel
Konvektion bewirkt chemische Zonierung
Diffusion der leichten
und großen Elemente
in die Kruste
Kruste
Konvektion
Mantel
Inkompatible
Inkompatible Elemente:
Elemente:
Large
Large Ion
Ion Lithophiles
Lithophiles (LIL-Elemente)
(LIL-Elemente)
K,
K, Rb,
Rb, U,
U, Th
Th
Verteilung der Radioaktivität
ppm
U
Th
K
Wärme
Joule/(cm3Jahr)
67 x 10
21 x 10 -6
-6
kontinentale Kruste
4
13
4
ozeanische Kruste
0.5
2
1.5
oberer Mantel
0.02 0.06 0.02 0.21 x 10
-6
Die
DieRadioaktivität
Radioaktivitätist
istin
inder
derErdkruste
Erdkrustekonzentriert
konzentriert
Der
Derobere
obereErdmantel
Erdmantelist
istan
anden
denLIL-Elementen
LIL-Elementenverarmt.
verarmt.
Depleted
Depletedmantle
mantle
Radioaktiver
Radioaktiver Zerfall
Zerfall
wichtige radioaktive
Isotope:
235
238
232
87
40
235U,
238
232
87
U, U,
U, Th,
Th, Rb,
Rb, 40K
K
Strahlungsarten
α− Strahlung: 2 Protonen + 2 Neutronen (He-Kerne)
β - Strahlung: Elektronen
γ- Strahlung: elektromagnetische Wellen
Zerfallgesetz:
N = N0 ⋅ e
− λt
( λ = Zerfallskonstante )
Halbwertszeit ( TH ) :
N0
N=
2
N0
− λTH
= N0 ⋅ e
2
2=e
λ ⋅TH
λ ⋅ TH = ln 2 ≈ 0.693
Indirekter Zerfall:
U→
207
82
Pb, TH = 0.713 ⋅ 10
U→
206
82
Pb, TH = 4.5 ⋅ 10
235
92
238
92
9
Th→ Pb, TH = 13.9 ⋅ 10
232
90
208
82
9
9
Direkter Zerfall:
Neutron Æ Proton + e- (ß-Zerfall)
87
37
Rb →
40
19
K→
87
38
40
20
Sr + e − , T H = 4 . 88 ⋅ 10 10
Ca + e − , T H = 1 . 47 ⋅ 10
9
Proton + e- Æ Neutron (inverser ß-Zerfall)
40
19
−
K → Ar − e , TH = 1.29 ⋅ 10
40
18
9
2 Protonen + 2 Neutronen Æ (α− Zerfall)
147
62
11
Sm →143
Nd
+
α
,
T
=
1
.
06
⋅
10
H
60
Altersmessungen mit direktem
Zerfall:
N0 = Anzahl der Mutterisotope zu Beginn
D = Anzahl der Tochterisotope nach der Zeit t
N = Anzahl der Mutterisotope nach der Zeit t
N0 = N + D
N = ( N + D )e
− λt
λt
Ne = N + D
D = N (e λt − 1)
Ausgangsformel für Altersdatierung
Altersdatierungen: Die Isochronen-Methode:
10
(Th = 4.88 x 10 )
Rb/Sr
Ausgangsformel: D
87
= N (e λt − 1 )
S rheute = 87 Sr t = 0 + 87 Rb ( e λ t − 1)
Massenspektrometer mißt Verhältnisse, deshalb
beziehen auf das stabile 86Sr
87
Sr
=
86
Sr heute
87
Sr
+
86
Sr t = 0
87
Rb λt
(e − 1)
86
Sr
87
Sr
86
e
n
o
hr
c
o
Is
Sr
a
}
tanα = eλt −1
87
Sr
(Sr-Initial)
86
Sr t = 0
87 Rb
86
Sr
Chondriten-Isochrone
Indirekter Zerfall: Concordia-Kurve
Erdwärme
Erdwärme (Geothermik)
(Geothermik)
Arten des Wärmetransportes:
Wärmeleitung (Konduktion)
cal
0.003 ≥ λ ≤ 0.015
cm ⋅ sec⋅ °C
Advektion
Advektion
(Aufstieg
(Aufstieg von
von Schmelzen)
Schmelzen)
Konvektion
Konvektion
(walzenförmiger
(walzenförmiger Wärmetransport)
Wärmetransport)
Konvektionswalzen
Aus Siever (Spektrum der Wissenschaft), 1987
Der Temperatur-Gradient
Der
Der Temperatur-Gradient
Temperatur-Gradient gibt
gibt die
die Änderung
Änderung der
der
Temperatur
Temperatur mit
mit der
der Tiefe
Tiefe an.
an.
∆Τ
∆r
[°C/m ; °C/km]
Mittlere Werte:
Mittelwert
Mittelwert 30°C/km
30°C/km
Geothermische
Geothermische Tiefenstufe
Tiefenstufe
33m/°C
33m/°C
Temperaturgänge:
Temperaturgänge:
täglich
1m
täglich
1m
jährlich
jährlich 25m
25m
Eiszeit
Eiszeit 600m
600m
Der Wärmefluß
Wärmestromdichte
Energie
Fläche x Zeit
Heat
Heat Flow
Flow Unit
Unit (HFU)
(HFU)
1 HFU =
10-6
cal = 42 mW/m2
cm2 x sec
22
Mittelwert:
1.5
HFU
~
60
mW/m
Mittelwert: 1.5 HFU ~ 60 mW/m
Wärmefluß in Europa
Baltischer
Schild
Schottland,
Hebriden
Stockholm
Edinburg
Paris
Bukarest
AlboranSee
Algier
Dinariden
OstÄgäis
Geothermische Tiefenstufen:
niedrig:
junge Vulkane
7 – 10 m/°C
z.B. Santorini
tertiäre Vulkane
14.3 m/°C
z.B. Urach Schwäbische Alb
hoch:
alte Schilde
125
m/°C
z.B. Kanada
Wärmefluß:
0.9 – 1.1 HFU
alte Schilde
< 1.2 HFU
Tiefsee
ozeanische Rücken
> 2 HFU
3D-Seismik
Rot : heiß
Blau: kalt
150
150km
kmTiefe
Tiefe
350
350km
kmTiefe
Tiefe
550
550km
kmTiefe
Tiefe