Δh C - Institut für Geologie

Institut für Geologie
Grundlagen der Geodynamik
und Tektonik (Übungen)
Blanka Sperner
Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I 09599 Freiberg
Tel. 0 37 31/39-3813 I [email protected]
Wiederholung
Wärmequellen:
- Restwärme
- radioaktiver Zerfall
- (Sonne)
Wärmetransfer:
- Konduktion
- Konvektion / Advektion
- (Strahlung)
Wärmeflußgleichung:
Wärmefluß & Tektonik:
q = k (T/z)
k: Konduktivität (Wärmeleitfähigkeit)
T/z: geothermischer Gradient
- Mittelozeanischer Rücken (Atlantik)
- Subduktion (S-Amerika, Japan)
- Kollision (Alpen, Tibet)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
2
Isostasie
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
3
Isostasie = Gleichstand (griech.)
Schwimmgleichgewicht
• unterschiedliche Dichte
• unterschiedliche Dicke
Strobach, K. (1991): Unser Planet Erde
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
4
Isostatische Modelle (1)
Frisch, W. & Loeschke, J. (1993): Plattentektonik.
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
5
Isostatische Modelle (2)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
6
Isostatische Modelle (3)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
7
Isostatische Modelle (4)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
8
Isostatische Modelle (5)
p = const.
p = const.
Σ ∆mi = 0
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Σ ρi·hi = const.
(bez. Einheitsfläche)
9
Airy Isostasie
Verdickung der Kruste
Ausgangsmodell
Verdickung des lith. Mantels
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Hebung
Subsidenz
10
Berechnung der Vertikalbewegung
Beispiel Krustenverdickung
Isostasiebedingung:
Σ ∆mi = ΔmC + ΔmM = 0
Δh0
ΔhC
ΔmC < 0
ΔmM > 0
Schweres Mantelmaterial wird durch
leichteres Krustenmaterial ersetzt:
Massedefizit muss durch Hebung ausgeglichen werden, damit Mantelmaterial von
unten nachfließen kann:
ΔmC < 0
ΔmM > 0
ΔmC =ΔhC·(ρC - ρM)·A
A: Fläche (kürzt sich raus)
ΔmM = Δh0·(ρM - ρLuft)·A = Δh0·(ρM)·A
Δh0 = -ΔhC· (ρC - ρM)/(ρM)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
11
Aufgaben
• Siehe Aufgabenblätter
• Skizze anfertigen
10 min.
• Vertikalbewegung bzw. Mohotiefe berechnen
• Beispiele?
• Ergebnis (Skizze & Rechnung) präsentieren
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
12
Aufgabe (1)
Δh0
Verdickung der
Kruste um 30 km
ΔmC < 0
Hebung, damit Mantelmasse von
unten nachfließen kann:
ΔmM = -ΔmC
Δh0·(ρM) = -ΔhC·(ρC - ρM)
Δh0 = -ΔhC·(ρC - ρM)/(ρM)
Δh0 = 1/8 · ΔhC
= -30 km·(2800 - 3200)/(3200)
= 3.75 km
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
13
Aufgabe (1a)
Verdickung der
Kruste um 30 km
ΔmC < 0
Kollisionszone
(Beispiel Alpen)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
14
Aufgabe (2)
Δh0
Verdickung des lithosphärischen
Mantels um 30 km
Subsidenz, damit Asthenosphärenmasse nach unten wegfließen kann:
ΔmL = -ΔmLM
Δh0·(ρL -ρA) = -ΔhLM·(ρLM - ρA)
Δh0 = -ΔhLM·(ρLM - ρA)/(-ρA)
Δh0 = 1/63 · ΔhLM
= -30 km·(3200 - 3150)/(-3150)
= 0.476 km
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
15
Aufgabe (2a)
Verdickung des lithosphärischen
Mantels um 30 km
Subduktionszone
(Beispiel Anden)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
16
Modellierung (1)
Entwicklung einer Subduktions- / Kollisionszone
(unter der Annahme lokaler Airy-Isostasie)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
17
Modellierung (2)
Stage 3
Stage 2
V.E.=10
Stage 1
0
2
Maximum basin
depth
Cont. crust
Water
Sediments
Beckenentwicklung
aufgrund
fortschreitender
Subduktion
0
30
[km]
90
Cont. crust

Lith. Mantle
V.E.=1
Lith.
root
Stage 1
Stage 2
2
3
Stage 3
Constant thickness of
lithospheric root, i.e.
constant basin depth in
upper plate
1
Increasing thickness
of lithospheric root,
i.e. increasing basin
depth in upper plate
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
18
Aufgabe (3)
Ausdünnung der Kruste
um 24 km
ΔmL = -ΔmM
Δh0·(ρL - ρM) = -ΔhM·(ρM - ρC)
Δh0 = 1/8 · ΔhC
Δh0 = -ΔhC·(ρM - ρC)/(-ρM)
= -24 km·(3200-2800)/(-3200)
= 3.0 km
ΔhO
Subsidenz, damit Mantelmasse
nach unten wegfließen kann
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
19
Aufgabe (3a)
Ausdünnung der Kruste
um 24 km
Tektonische Grabenstrukturen
(Beispiel Oberrheingraben)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
20
Aufgabe (4)
Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Wasserfüllung im
Becken (ρW=1030 kg/m3)
ΔmW = -ΔmC
ΔhW·(ρW - ρM) = -ΔhC·(ρM - ρC)
ΔhW = 1/5.4 · ΔhC
ΔhW = -ΔhC·(ρM - ρC)/(ρW - ρM)
= -24 km·(3200-2800)/(1030-3200)
= 4.4 km
ΔhW
Subsidenz, damit Mantelmasse
nach unten wegfließen kann
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
21
Aufgabe (4a)
Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Wasserfüllung im
Becken (ρW=1030 kg/m3)
ΔhW = 4.4 km
ΔhW entspricht der Meerestiefe der Tiefseebecken
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
22
Aufgabe (5)
Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Sedimentfüllung
im Becken (ρS=2400 kg/m3)
ΔmS = -ΔmC
ΔhS·(ρS - ρM) = -ΔhC·(ρM - ρC)
ΔhS = 0.5 · ΔhC
ΔhS = -ΔhC·(ρM - ρC)/(ρS - ρM)
= -24 km·(3200-2800)/(2400-3200)
= 12 km
ΔhS
Subsidenz, damit Mantelmasse
nach unten wegfließen kann
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
23
Aufgabe (5a)
Ausdünnung der Kruste
um 24 km: Sedimentfüllung
im Becken (ρS=2400 kg/m3)
Backarc-Becken
(Beispiel: Pannonisches Becken)
Cloetingh et al. (2005)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
24
Krustenausdünnung
ΔmC > 0
Betrag der Subsidenz
maßgeblich von Dichte der
Beckenfüllung abhängig:
ΔhB = -ΔhC·(ρM - ρC)/(ρB - ρM) = 24 km · 400/(ρB - 3200)
Δh0 = 0.125 · ΔhC
ΔhW = 0.185 · ΔhC
(mit Luftfüllung)
(mit Wasserfüllung)
Δh0 = 3.0 km
ΔhW = 4.4 km
ΔhS = 0.5 · ΔhC
(mit Sedimentfüllung)
ΔhS = 12.0 km
(Kruste unter kontinentalen Becken hat meist größere Mächtigkeit als die gezeigten 6 km)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
25
Aufgabe (6)
ΔhW
Verdickung des lithos. Mantels
auf 60 km; Wasserbedeckung
(ρW=1030 kg/m3)
Subsidenz, damit Asthenosphärenmasse nach unten wegfließen kann:
ΔmW = -ΔmLM
ΔhW·(ρW - ρA) = -ΔhLM·(ρLM - ρA)
ΔhW = -ΔhLM·(ρLM - ρA)/(ρW - ρA)
ΔhO = 1/42.4 · ΔhLM
= -54 km·(3200-3150)/(1030-3150)
= 1.27 km
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
26
Aufgabe (6a)
Absinken der ozeanischen Lithosphäre
aufgrund von Abkühlung und Verdickung
Frisch, W. & Loeschke, J. (1993): Plattentektonik
Ozeanische Lithosphäre (Beispiel Atlantik)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
27
Aufgabe (7)
Δho
Erosion von ursprünglich
5.0 km Topographie
Hebung, damit Mantelmasse von
unten nachfließen kann:
ΔmM = -ΔmT
ΔhO·(ρM - ρL) = -ΔhT·(ρL - ρC)
ΔhO = -ΔhT·(- ρC)/(ρM)
ΔhO = 7/8 · ΔhT
= -5 km·(-2800)/(3200)
= 4.375 km
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
28
Aufgabe (7a)
Erosion von ursprünglich
5.0 km Topographie
Δho
Topographische Erhebungen
(Alpen, Anden, Himalaja)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
29
Erosion & Hebung (1)
(Keller & Pinter, 1996)
Erosion → isostatische Hebung
→ Höhe (über NN) niedriger als vorher
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
30
Erosion & Hebung (2)
(Burbank & Anderson, 2001)
lokale Erosion → isostatische Hebung
→ Gipfel höher als vorherige mittlere Höhe
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
31
Hebung vs. Exhumierung
Surface uplift:
Hebung der Erdoberfläche bez. Geoid
Geoid
Rock uplift:
Hebung des Gesteins bez. Geoid
Geoid
Exhumation:
Bewegung des Gesteins bez. Erdoberfläche
Geoid
Surface uplift = Rock uplift - Erosion
(+ Sedimentation - Kompaktion)
Geoid
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
32
Aufgabe (8)
Tiefe der Moho bei einer
Topographie von 4.8 km
Δho
ΔmC = -ΔmT
ΔhO·(ρC - ρM) = -ΔhT·(ρC - ρL)
ΔhO = -ΔhT·(ρC)/(ρC - ρM)
ΔhO = 7 · ΔhT
= -4.8 km·(2800)/(2800-3200)
= 33.6 km
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
33
Aufgabe (8a)
Tiefe der Moho bei einer
Topographie von 4.8 km
Δho
Braitenberg et al. (2000)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
34
Aufgabe (9)
Krustenwurzel unter 6 km
Topographie im Wasser
ΔhO
ΔmC = -ΔmT
ΔhO·(ρC - ρM) = -ΔhT·(ρC - ρW)
ΔhO = -ΔhT·(ρC - ρW)/(ρC - ρM)
= -6 km·(2800-1030)/(2800-3200)
= 26.55 km
ΔhO = 4.4 · ΔhLM
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
35
Aufgabe (9a)
Krustenwurzel unter 6 km
Topographie im Wasser
Lokale
Isostasie
Regionale
Isostasie
(Flexur)
Watts, A.B. (2001): Isostasy and flexure of the lithosphere
Hawaii-Inseln (Hot Spot)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
36
Lokale vs. regionale Isostasie
Isostatischer Ausgleich
senkrecht unter Belastung
Isostatischer Ausgleich verteilt
sich auf größere Region
(keinerlei Scherfestigkeit)
Stüwe, K. (2000): Geodynamik der Lithosphäre.
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
37
Biegesteifigkeit (1)
Je steifer die Platte, desto geringer die Biegung
(d.h. desto größer die elastische Dicke)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
38
Biegesteifigkeit (2)
D: Steifigkeit (flexural rigidity)
E: E-Modul (Young‘s modulus)
Te: effektive elastische Dicke (EET)
ν: Poisson-Verhältnis
D: Steifigkeit (flexural rigidity)
q(x): vertikale Last
w: vertikale Auslenkung
ρa: Dichte über der Platte
x: Abstand von der Last
ρ b: Dichte unter der Platte
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
39
Flexural bulge
Flexuraufwölbung
Aufwölbung der Platte aufgrund ihrer Steifigkeit
(je stärker die Flexur, desto größer die Aufwölbung)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
40
Flexur & Tektonik
Auslösende Kraft für Flexur:
Masseüberschuß in der Tiefe
(subduzierte Platte)
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
Masseüberschuß an der
Oberfläche (Gebirge)
41
Kontinentale Kollision
Überschiebung der Oberplatte
→ Flexur der Unterplatte
→ Sedimentbecken im Vorland
(Burbank & Anderson, 2001)
→ Geometrie gibt Aufschluß über
Biegesteifigkeit
Gilt nur, wenn die überschobenen Gesteine die einzige
Last darstellen. Aber: Slab pull kann in der Tiefe wirken!
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
42
Kollision & Erosion
Was passiert bei Erosion
im Überschiebungsgürtel?
(Burbank & Anderson, 2001)
Erosion im Überschiebungsgürtel
→ Hebung des Überschiebungsgürtels
→ Flexur verringert sich (weniger Last)
→ Verkippung der Vorlandsedimente
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
43
Isostasie & Mantelviskosität
Watts, A.B. (2001): Isostasy and flexure of the lithosphere.
Abschmelzen der Eismasse → isostatische Hebung
→ Hebungsrate → Viskosität des Mantels
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
44
Dynamische Isostasie
Strömungen (~ Dichteunterschiede)
produzieren ebenfalls Vertikalbewegungen
Mantelplume
Strobach, K. (1991): Unser Planet Erde - Ursprung und Dynamik.
Entsprechendes gilt für abtauchende (schwere) Platten:
Abwärtsbewegung induziert „Sog“ an der Oberfläche
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
45
Nicht immer
ist es
Isostasie...
Hyndman, R.D.: Schwere Erdbeben nach langer seismischer Stille. - Spektrum der Wissenschaft, 2001
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
46
Zusammenfassung (1)
Isostatische Modelle
Pratt
Σ ∆mi = 0
Σ ρi·hi = const.
(bez. Einheitsfläche)
Airy
Vening-Meinesz
Molnar, P.: Das Fundament der Gebirge. - Spektrum der Wissenschaft, 1986.
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
47
Zusammenfassung (2)
Isostasie & kontinentale Tektonik
Stage 3
Stage 2
V.E.=10
Stage 1
0
2
Maximum basin
depth
Cont. crust
Water
Sediments
0
30
[km]
90
Cont. crust

Lith. Mantle
V.E.=1
Lith.
root
Stage 1
Stage 2
2
3
Stage 3
Constant thickness of
lithospheric root, i.e.
constant basin depth in
upper plate
1
Increasing thickness
of lithospheric root,
i.e. increasing basin
depth in upper plate
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
48
Zusammenfassung (3)
Isostasie & ozeanische Tektonik
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
49
Zusammenfassung (4)
Isostasie & Lithosphärenstruktur
Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 28.04.08, Blanka Sperner
50