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Konvektion im Erdmantel (II). Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam. Übersicht zur Vorlesung. Übergang zu einer kontinuumsmechanischen Beschreibung. Grundlagen der Mantelkonvektion (III). Grundlagen der Mantelkonvektion (III). Grundlagen der Mantelkonvektion (III). - PowerPoint PPT Presentation
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VL Geodynamik & Tektonik, WS 080903.12.2008
Konvektion im Konvektion im Erdmantel (II)Erdmantel (II)Institut für Geowissenschaften
Universität Potsdam
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Übersicht zur Vorlesung
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Übergang zu einerÜbergang zu einerkontinuumsmechanischen kontinuumsmechanischen
BeschreibungBeschreibung
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Grundlagen der Mantelkonvektion (III)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Abschätzung von tektonischen Kräften
„ridge-push“ vs. „slab-pull“
~ 1012 Nm-1 ~ 1013 Nm-1
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Was passiert,wenn die Viskosität
in der Erdemit der Tiefeabnimmt ?
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Was passiert,wenn die Viskosität
in der Erdemit der Tiefeabnimmt ?
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Plattentektonikauf der Venus
„stagnant lid“
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
„Lithosphäre“
„stagnant lid“
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
-> Kruste
Was versteht man unter der „Lithosphäre“ ?
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Plate Motion Calculator
gelbe Vektoren: Nuvel-1A NNR Geschwindigkeitenviolette Vektoren: GPS Geschwindigkeiten
http://www.unavco.org
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Plattentektonik
3 Typen von Plattengrenzen
Ozeane Kontinente
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Ozeane
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Eigenschaften der ozeanische Lithosphäre
• Kruste aus Teilschmelzen des oberen Mantels gebildet• Krustenmächtigkeit ~ 7 km an MOR• Mächtigkeit und Dichte nehmen mit dem Alter zu• enthält kaum radioaktive Elemente• Festigkeit Mantellithosphäre wird durch Olivin bestimmt• Mantellithosphäre enthält kaum Wasser
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Kontinente
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Eigenschaften der kontinentalen Lithosphäre
• Kruste hochdifferenziert• Moho in 30 - 50 km Tiefe• hoher Gehalt radioakt. Elemente• Gesamtmächtigkeit der Lithosphäre: 100 - 150 km
%
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Die kontinentale Kruste besteht generell aus zwei Schichten (“layers”)• Obere Kruste (“granodiorite”)• Untere Kruste (“granulite”) i.e. basaltic composition• Begriffe werden oft unscharf verwendet, grosse Variabilität
Aufbaukontinentaler
Kruste
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Auswirkungen auf die Plattengrenzen
• Konvergenz von ozeanischer Lithosphäre führt zu Subduktion oder Obduktion• Konvergenz von kontinentaler Lithosphäre führt zu Kollision
Begriff der „Tektosphäre“
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Mögliche Charakterisierungen der Lithosphäre
• seismisch• thermisch• mechanisch
physikalisch}• chemisch
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Seismische Charakterisierung
• an der Moho Anstieg der seismischen Wellen- geschwindigkeit auf ~ 8 km/s• Zunahme von vp mit der Tiefe ca.
0.01 km/sec pro km (vgl. „Birch‘s law“)• Untergrenze bildet Asthenosphäre als „low velocity zone“ (LVZ), seismische Wellen werden gedämpft
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
MOHO Tiefein Europa
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Vergleich zw. Kontinent - Ozean
Fowler 1990
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Dämpfung seismischer Wellen
Condie 2005
„low velocity zone“
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Seismizität: Intraplattenbeben
Stein & Stein 1996
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Double Seismic Zone (DSZ)
Abers 1996
trench
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Double Seismic Zone (DSZ)
Mögliche Ursachen
• Spannungen mit gegensätzlichem Vorzeichen• Basalt -> Eklogit Transformation• duktile Instabilitäten
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Definition der Lithosphäre II
Stein & Stein 1996
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Thermische Charakterisierung
• Unterseite der Lithosphäre 1200 ˚C / 1300 ˚C Isotherme („lithosphere base temperature“)• dort Wechsel im Wärmetransportmechanismus: Konduktion (Lithosphäre) => Konvektion (Mantel)• thermische Struktur kontrolliert Wärmefluss, Dichte, Schwerefeld, seismische Geschwindigkeit & Dämpfung• Temperatur an der Moho variiert stark, je nach Tektonik 300 ˚C bis 800 ˚C möglich
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Ozeanische Lithosphäre alsthermische Grenzschicht
Stein & Stein 1996
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Vergleich vonAbkühlungsmodellen
Stein & Stein 1996HS - half space cooling modelPSM - plate cooling model, Parsons, Sclater & McKenzie 1977GDH1 - dünnere Lithosphäre mit höherer Basaltemperatur, Stein & Stein 1996
thermal equilibrium at ~ 70 Myr.
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Thermische Struktur der ozeanischen Lithosphäre
Stein & Stein 1996
GDH1Modell
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Mechanische Charakterisierung
• durch Rheologie der Gesteine• rigide Lithosphärenplatten• Berechnung der Biegesteifigkeit bzw. Flexurisostasie
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809Kearey & Vine 1990
Schematische Darstellung der Festigkeit ozeanische vs. kontinentale Lithosphäre
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Prinzip der Isostasie
Zwischen den unterschiedlichen Krustentypenund Krustenmächtigkeiten muss oberhalb einer
Kompensationstiefe ein mechanisches Gleichgewicht auf der geologischen Zeitskala herrschen (entsprechend dem „Archimedes Prinzip“).
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Es gibt 2 Möglichkeiten für den isostatischen Ausgleich
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809Pratt vs. Airy model
Higher mountains are compensated by deeper roots
The weight of all columns above the compensation depth are equal
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Biegesteifigkeit / Flexurisostasie
Aber: benachbarte lithosphärische Blöckesind mechanisch (visko-elastisch) gekoppelt !
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Kopplung elastischer, spröder
und viskoser Modelle
Schematic diagram showing thebending stresses that develop in(a) An elastic plate(b) A plate whose strength is
limited by brittle deformationin its upper part and ductileflow in its lower part
Watts 2001
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Beispiel für zeitlichen Verlauf eines isostatischen Ausgleichs
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Flexurgleichung
zmax = h (s - w) (1-e-a cos(a))/(m-s)
(m-s) g / 4D}1/4
zunehmende Biegesteifigkeit: zmax => 0abnehmende Biegesteifigkeit: Isostatisches GG
zmax => h (s - w)/(m-s)
„wave number“
„elastischeDicke“
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Vergleich verschiedenerBiegesteifigkeiten
zum VergleichStahl ~ 106 Nm
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Beispielrechnungen fürdie elastische Schwelle
Kearey & Vine 1990
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Beispielrechnungen fürdie elastische Dicke
D ~ 1023 Nm aus Geländeaufschluss, E ~ 70 GPa aus Labormessungen, ~ 0.25ergibt eine elastische Dicke von T ~ 25 km für eine Halbbreite der Depression von 150 kmbzw. = 64 km (Fowler 1990, Seite 182).
Fowler 1990
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Elastische Dicken
% • ozeanische Lithosphäre: bis zu ~ 40 km• kontinentale Lithosphöre: bis zu ~ 100 km• in tektonisch aktiven Gebieten geringe elastische Dicken von bis zu ~ 4 km möglich !
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Krustenelevationen
Venus
Erde
relativ zu 6051 km Radius
relativ zurMeeresoberfläche
%
%
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Mars
Elevation (m)
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
Krustenelevationen
nur die Erde und ansatzweise der Marszeigen bimodale Krustenelevationen;die anderen terrestrischen Planeten
(Venus, Merkur, auch der Mond)haben nur eine unimodale Krustenelevation
grundlegend andere tektonische Prozesse ?
VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809
ReferenzenReferenzen• Global TectonicsGlobal Tectonics, , P. Kearey & F.J. Vine, 1990• The Solid EarthThe Solid Earth, , C.M.R. Fowler, 1990• Thermo-mechanical Evolution of Oceanic Lithosphere:Thermo-mechanical Evolution of Oceanic Lithosphere: Implications for the Subduction Process and Deep Implications for the Subduction Process and Deep Earthquakes Earthquakes, , Seth Stein & Carol A. Stein, 1996• Plate Structure and the Origin of Double Seismic ZonesPlate Structure and the Origin of Double Seismic Zones,, G. A. Abers, 1996• Isostacy and Flexure of the LithosphereIsostacy and Flexure of the Lithosphere, A.B. Watts, 2001• Geodynamik der LithosphäreGeodynamik der Lithosphäre, , Kurt Stüwe, 2002• Earth as an Evolving Planetary SystemEarth as an Evolving Planetary System, K.C. Condie, 2005
VL Geodynamik & Tektonik, WS 080903.12.2008
ZusammenfassungZusammenfassungDie Konvektion im Erdmantel führt infolge der
Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Mantelgesteinzur Herausbildung einer relative starren und rigidenoberen thermischen Grenzschicht, der Lithosphäre.
Die Lithosphäre der Erde setzt sich aus verschiedenenlithosphärischen Platten zusammmen, die jeweils voneinander
durch rheologische Schwächezonen getrennt sind.
Die gegenseitigen Verschiebungen dieser Plattenim Ergebnis der wirkenden geodynamischen Kräfte führt zu der an der Erdoberfläche sichtbaren PlattentektonikPlattentektonik.