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ETH
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Swiss Federal Institute of Technology Zurich
Plate Tectonics – Tectonics of lithosphere plates E. Kissling
Lehrveranstaltung: Tektonik Proffs. J.-P. Burg & E. Kissling Prof. Dr. Eduard Kissling
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 1
Wegener‘s continental drift When reassembled, continental crust contains: - matching rock units - fossil record (+glaciation record)
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Plate movement reconstruction based on paleomagnetic data
Ma
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Von Kontinentaldrift zur Plattentektonik èLithosphäre statt Kruste !
* Die Lithosphäre ist in einige grosse und kleine Platten zerbrochen. Es gibt die ozeanische und kontinentale Lithosphäre, welche sich in Chemismus und Alter stark unterscheiden.
* Die Lithosphärenplatten bewegen sich. * Es gibt drei Arten von Plattengrenzen: • konstruktive • destruktive und • konservative
* An diesen Plattenrändern finden die primären tektonischen Veränderungen der Lithosphäre statt.
è Kräfte !
Antrieb der Plattentektonik? Wann greifen welche Kräfte wo und wie an der Lithosphäre an? LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 4
Prof. Dr. Eduard Kissling
Inhalt: Plattentektonische Strukturen und Kräfte Ø Aufbau und Zustand der Erde (Erde ist eine Wärmemaschine!) Ø Lithosphäre als Mehrschichtenfestkörper Ø Zyklus der ozeanischen Lithosphäre Ø Antriebsmechanismus der Plattentektonik Ø Plattenränder und Kräfte an Lithosphärenplatten Ø Wilson-Zyklus und kontinentale Gebirgsbildung Ø Kinematik der Lithosphärenplatten - Beispiele
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Kapitel 1 Aufbau und Zustand der Erde
zähflüssig
(1)
Ziel: Verständnis, warum es Plattentektonik und Mantelkonvektion gibt
Lithosphäre – Mantel – Kern, Temperaturverteilung, abkühlende Erde als Wärmemaschine (thermische Grenzschicht und Konvektion) LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 6 Prof. Dr. Eduard Kissling
Aufbau und Zustand der Erde
(2)
Moderne, plattentektonische Betrachtung der Erde
Rheologie
Der grösste Teil der Erde (Mantel und Kern) sind flüssig, Festkörper sind nur die Lithosphäre und der innere Kern
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Aufbau und Zustand der Erde
fest zähflüssig
(3)
Dynamik des Erdmantels (oben) Dynamik des Erdkerns (unten)
flüssig
fest Festkörper sind nur die Lithosphäre und der innere Kern LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 8 Prof. Dr. Eduard Kissling
Kapitel 1 - Erde als Wärmemaschine
Was bedeutet Wärmemaschine? Thermische Energie im Zusammenhang mit Phasenübergängen in mechanische Energie umwandeln. (Bsp. „Kühlschrank“)
Wärmemaschine Erde:
Heisses Material kommt nach oben
Kaltes Material sinkt ab flüssig
Primärer Prozess: fest Auskühlung des heissen Erdinnern durch Konvektion im Mantel Sekundäre Prozesse: Mantel gefriert an Erdoberfläche. Wärmeabgabe nur durch Wärmeleitung. Effizienzsteigerung dank Gefrieren von ozeanischer Lithosphäre und deren Rückfluss in unteren Mantel. LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 9 Prof. Dr. Eduard Kissling
Aufbau und Zustand der Erde
(4)
Ozeanische Lithosphäre besteht aus gefrorenem Mantel und wird laufend recycliert (subduziert) fest
flüssig flüssig
fest
Lithosphäre ist in einige Platten zerbrochen
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Kapitel 1
Lithosphäre
(1)
ozeanische und kontinentale Lithosphäre, oft zusammen in einer Platte! LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 11 Prof. Dr. Eduard Kissling
Kapitel 1
Lithosphäre
(2)
Lithosphäre besteht aus zwei Schichten von festgefrorenem Material, Erde ist vollständig von Lithosphärenplatten bedeckt, Lithosphäre schwimmt auf Asthenosphäre
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Kapitel 2 Lithosphäre als Mehrschichten-Festkörper
(1)
System Lithosphäre-Asthenosphäre Continental lithosphere
Oceanic lithosphere
normal
MOR
cratonic
crust melt
5 km 10 km 30 km 40 km
mantle lithosphere 100 km
asthenosphere 200 km
densities (g/cm 3): crust -oceanic 2.90 -continental 2.85 mantle lithosphere 3.30 asthenosphere 3.25
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Siehe auch LV Lithosphäre Kap. 2
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Kapitel 2 Lithosphäre als Mehrschichten-Festkörper
(2)
Aufbau ozeanischer und kontinentaler Lithosphäre Entscheidend ist die Art der Kruste!
Europäische Geotraverse
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Siehe auch LV Lithosphäre Kap. 2
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Kapitel 2: die Erdkruste Mächtigkeit der Erdkruste
R
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Krustenmächtigkeiten weltweit Mächtigkeit der Erdkruste
ozeanische, normale kontinentale und kratonische Kruste
USGS LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 16 Prof. Dr. Eduard Kissling
(„jungen“)
Aufbau der kontinentalen Kruste („normal“ ca. 30 km mächtig!) Nach Mueller 1977, vor allem aus Profilen im nördlichen Alpenvorland 4
6
8
VP
0 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
granitisch
10
Py
obere Kruste (incl. Sedimente)
+
+ + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + +
P*
20
untere Kruste
amphibolitisch 30 Z (km)
Pn ultramafisch (Peridotit, Eklogit)
Junge Sedimente xxx
Moho oberster Mantel
Granite
Granulite
Meso- Paläozoische Sedimente
Migmatite
Ultramafische Gesteine
Gneisse und Schiefer
Amphibolite
+++
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Seismische Lithosphären-Asthenosphären- Grenze (LAG) By surface wave and body wave seismic tomography
Kruste
oberer Mantel
‚LAG‘
LVL
Asthenosphäre 410km
unterer
Mantel
660km
Zusammenfassung Unter der Lithosphäre hat es eine Schicht, welche eine stark erniedrigte S-Wellengeschwindigkeit und eine leicht erniedrigte P-Wellengeschwindigkeit zeigt. mechanische Eigenschaft?
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Aufbau der Ozeanischen Kruste ocean depth below sea floor (m)
sediment basalt
Entstehung: Wo? Wie? Am MOR, chem. Differentiation
gabbro
Moho 5-8 km peridotit
Vgl. Smith 1991 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 19 Prof. Dr. Eduard Kissling
Kontinentale Kruste sediments and volcanic rock
Vgl. Smith 1991
granitic batholith
5-8km
folded and metamorphosed basement
high-grade granitic crust
Entstehung: Wo? Wie? Subduktionszonen (subduction factory) + überall bei tektonischer Überarbeitung
high-grade granodioritic crust with intrusions
Mikrokontinent oder ehemaliger Inselbogen
30-35 km Moho
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Die kontinentale Kruste – ein Konglomerat
0.25 -0
1.7 -0.7
2.8-1.8
oAngegeben ist die Zeit der tektonischen Ueberarbeitung der kont. Kruste
Burchfiel 1983 (Spektrum der Wissenschaft)
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Beispiel Nordamerika: auch die Kruste von Kratonen ist bereits als Konglomerat aufgebaut
Was schliessen wir daraus?
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Kapitel 2
Lithosphäre
(3)
Schwimmgleichgewicht für die Lithosphäre
Als Referenz (Vergleichsdichte) gilt die Asthenosphäre, da die Lithosphäre auf der zähflüssigen Asthenosphäre schwimmt (vgl. Prinzip Eisberg im Wasser) LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 23 Prof. Dr. Eduard Kissling
Kapitel 2
Lithosphäre
(4)
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Aufbau und Isostasie der kontinentalen Lithosphäre
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Aufbau und Isostasie der ozeanischen Lithosphäre
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Kapitel 3 Zyklus der ozeanischen Lithosphäre Entstehung ozeanischer Kruste und Mantellithosphäre, Recycling Mantelmaterial, wichtigste Plattenkräfte
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Kapitel 3 Zyklus der ozeanischen Lithosphäre Age of Oceanic Crust
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 28 Prof. Dr. Eduard Kissling
Entstehung des magnetischen Streifenmusters der ozeanischen Kruste am MOR Mittelozeanischer Rücken (MOR)
10 km
Merke:
Die (nicht-sedimentäre) ozeanische Kruste entsteht am MOR und wird nachher nicht mehr mächtiger! LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 29 Prof. Dr. Eduard Kissling
Streifenmuster im Ozeanboden
www.pbs.org, www.geolinde.musin.de
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Ozeanische Lithosphäre (1) Wie hängen Wärmefluss, Mächtigkeit der Lithosphäre und Meerestiefe zusammen? A) Wärmefluss und Mächtigkeitszunahme MOR
Distanz ab MOR A
L A
L
L
A A
o
Ø Was passiert? Solidus ~1300 C unterschritten (vgl. 2) Ø Wohin geht diese Energie? Ø Warum immer weniger Wärmefluss mit grösserem Abstand? LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 31 Prof. Dr. Eduard Kissling
Ozeanische Lithosphäre (2) Wie hängen Wärmefluss, Mächtigkeit der Lithosphäre und Meerestiefe zusammen? B) Wärmefluss und Meerestiefe Weiteres Auskühlen der ozeanischen Lithosphäre nach Unterschreiten des Solidus MOR
Distanz ab MOR
Was passiert beim Abkühlen eines Festkörpers?
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Ozeantiefe Das Auskühlen der neu entstandenen ozeanischen Lithosphäre führt zum Schrumpfen und höherer Dichte, was ein Absinken zur Folge hat: MOR Kruste
Lithosphäre Asthenosphäre Absinken wegen höherer Dichte
Abkühlen -> Schrumpfen ->höhere Dichte
(Isostasie!)
LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 33
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Ozeanische Lithosphäre (3) Mächtigkeitszunahme in Funktion des Abstandes von MOR: Die Lithosphäre wächst gegen unten durch Anfrieren von Asthenosphärenmaterial. Wärmefluss
MOR
Distanz ab MOR
(je dunkler, desto mehr abgekühlt)
Asthenosphäre
Merke:
LAG
Die ozeanische Mantellithosphäre gefriert unten an die ozeanische Kruste an und nimmt an Mächtigkeit zu bis sie ca. 80Mio Jahre alt ist. LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 34
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Subduktionszonen: Kalter Rückfluss der Konvektion im Mantel
1200°C
-DT ® +Dr!
Slab pull ! Kälter = dichter! LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 35 Prof. Dr. Eduard Kissling
Ozeanische Lithosphäre wird subduziert! Warum?
Unter ozeanischer oder kontinentaler Lithosphäre
Weil sie schwerer ist als die Asthenosphäre!
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Ca. 40 Ma
Ozeanische Lithosphäre wird subduziert … früher oder später
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Inhalt: Plattentektonische Strukturen und Kräfte Ø Aufbau und Zustand der Erde Ø Lithosphäre als Mehrschichtenfestkörper Ø Zyklus der ozeanischen Lithosphäre Ø Antriebsmechanismus der Plattentektonik Ø Plattenränder und Kräfte an Lithosphärenplatten Ø Wilson-Zyklus und kontinentale Gebirgsbildung Ø Kinematik der Lithosphärenplatten
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