Institut fr Geologie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik

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Institut für Geologie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen) Blanka Sperner 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 blanka. sperner@geo. tu-freiberg. de

Wiederholung (1) Isostatische Modelle Σ ρi·hi = const. (bez. Einheitsfläche) p = const. Σ

Wiederholung (1) Isostatische Modelle Σ ρi·hi = const. (bez. Einheitsfläche) p = const. Σ ∆mi = 0 p = const. Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner Lokale Isostasie 2

Wiederholung (2) Isostasie & kontinentale Tektonik Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05.

Wiederholung (2) Isostasie & kontinentale Tektonik Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 3

Wiederholung (3) Isostasie & ozeanische Tektonik Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05.

Wiederholung (3) Isostasie & ozeanische Tektonik Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 4

Wiederholung (4) Isostasie & Lithosphärenstruktur Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08,

Wiederholung (4) Isostasie & Lithosphärenstruktur Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 5

Wiederholung (5) Regionale Isostasie Biegesteifigkeit D: Steifigkeit (flexural rigidity) E: E-Modul (Young‘s modulus) Te:

Wiederholung (5) Regionale Isostasie Biegesteifigkeit 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), 26. 05. 08, Blanka Sperner 6

Wiederholung (6) Modelle der letzten Übungsstunde? Σ ρi·hi = const. (bez. Einheitsfläche) p =

Wiederholung (6) Modelle der letzten Übungsstunde? Σ ρi·hi = const. (bez. Einheitsfläche) p = const. Σ ∆mi = 0 p = const. Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner Lokale Isostasie 7

Dichtebestimmung Dichte vs. vp • Experimente (p-T) • Mantelxenolithe • Schweremessungen • Dichte der

Dichtebestimmung Dichte vs. vp • Experimente (p-T) • Mantelxenolithe • Schweremessungen • Dichte der Gesamterde • Dichteanomalien • Geschwindigkeit seismischer Wellen Berckhemer, H. (1990): Grundlagen der Geophysik. Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 9

Schwerefeld (1) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 10

Schwerefeld (1) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 10

Potentialfelder Erde Schwerefeld Magnetfeld Dipolfeld mit Nord- und Südpol • Magnitude variiert um Faktor

Potentialfelder Erde Schwerefeld Magnetfeld Dipolfeld mit Nord- und Südpol • Magnitude variiert um Faktor zwei • Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner radialsymmetrisch • weltweit ungefähr gleich gross • 11

Gravitationskraft F = G·m 1·m 2 / r 2 G: allgemeine Gravitationskonstante (6. 67·

Gravitationskraft F = G·m 1·m 2 / r 2 G: allgemeine Gravitationskonstante (6. 67· 10 -11 Nm 2/kg 2) F = m 1·a = G·m 1·m 2 / r 2 g = G·ME / RE 2 ≈ 9. 81 m/s 2 Einheit: g: Erdbeschleunigung ME: Masse der Erde RE: Radius der Erde 1 Gal = 1 cm/s 2 = 0. 01 m/s 2 (d. h. ungefähr ein Tausendstel der Erdbeschleunigung) 1 m. Gal = 10 -3 Gal = 10 -5 m/s 2 (d. h. ungefähr ein Millionstel der Erdbeschleunigung) (nach Galileo Galilei) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 12

Gravimeter Relativgravimeter: • Veränderung gegenüber einem Nullpunkt • Messung: Federauslängung • Genauigkeit: ± wenige

Gravimeter Relativgravimeter: • Veränderung gegenüber einem Nullpunkt • Messung: Federauslängung • Genauigkeit: ± wenige μGal La. Coste-Romberg-Gravimeter Absolutgravimeter: (Relativgravimeter) • absolute Schwere • keine Kalibrierung nötig • Messung: freier Fall, (Schwerependel) • Genauigkeit: ± 10 μGal Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 13

Schwerefeld Komponenten des Schwerefeldes: - Gravitationswirkung der Erdmasse - Zentrifugalkraft (aus Erdrotation) - Unregelmäßigkeiten

Schwerefeld Komponenten des Schwerefeldes: - Gravitationswirkung der Erdmasse - Zentrifugalkraft (aus Erdrotation) - Unregelmäßigkeiten in Aufbau und Form der Erde - Gezeiten (Gravitationswirkung von Mond und Sonne) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 14

Äquator vs. Pol Unterschiede in der Erdbeschleunigung am Äquator im Vergleich zum Pol: •

Äquator vs. Pol Unterschiede in der Erdbeschleunigung am Äquator im Vergleich zum Pol: • höhere Zentrifugalkraft am Äquator → geringere Schwere (-∆g) • größerer Abstand R zum Erdmittelpunkt → geringere Schwere (-∆g) • zusätzliche Masse wg. größerem Radius → höhere Schwere (+∆g) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 15

Maßgebliche Faktoren • Geographische Breite (φ) Korrektur möglich • Topographische Höhe (∆R) • Verteilung

Maßgebliche Faktoren • Geographische Breite (φ) Korrektur möglich • Topographische Höhe (∆R) • Verteilung der Massen in der Erde (M) Korrektur für geographische Breite Normalschwere: g 0 = ge·(1+ 0. 005278895·sin 2φ + 0. 000023462·sin 4φ) g 0: theoretische Gravitation für den Breitengrad des Meßpunktes [m. Gal] ge: theoretische Gravitation am Äquator [978, 031. 85 m. Gal] φ: Breitengrad des Meßpunktes [°] Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 16

Form der Erde GFZ Potsdam Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08,

Form der Erde GFZ Potsdam Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 17

Geoid Physikalisches Modell der Erdfigur: Fläche gleichen Schwerepotentials (durch den mittleren Meeresspiegel der Weltmeere

Geoid Physikalisches Modell der Erdfigur: Fläche gleichen Schwerepotentials (durch den mittleren Meeresspiegel der Weltmeere repräsentiert) Geometrisches Modell der Erdfigur: Ellipsoid Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 18

Lotabweichung Differenz zwischen wahrer Lotrichtung und theoretischer Ellipsoidnormalen (sie entspricht der Neigung zwischen Geoid

Lotabweichung Differenz zwischen wahrer Lotrichtung und theoretischer Ellipsoidnormalen (sie entspricht der Neigung zwischen Geoid und Ellipsoid und verzerrt terresterische Vermessungsnetze) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 19

Geoidundulationen [m] Geoidundulationen relativ zum Referenzellipsoid Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05.

Geoidundulationen [m] Geoidundulationen relativ zum Referenzellipsoid Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 20

Freiluftkorrektur Korrektur für Unterschiede in der topographischen Höhe: g. F [m. Gal] = 0.

Freiluftkorrektur Korrektur für Unterschiede in der topographischen Höhe: g. F [m. Gal] = 0. 308·h [m] (Masse der Topographie bleibt unberücksichtigt) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 21

Freiluftanomalie (Free air anomaly, FAA) Abweichung von der Normalschwere g 0: ∆g. F =

Freiluftanomalie (Free air anomaly, FAA) Abweichung von der Normalschwere g 0: ∆g. F = gbeob + g. F - g 0 (= g. F - g 0) Freiluftschwere: g. F = gbeob + g. F Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 22

Beispiel für FAA Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner

Beispiel für FAA Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 23

Bouguerkorrektur Korrektur für die Masse zwischen Meßpunkt und Referenzniveau: g. B [m. Gal] =

Bouguerkorrektur Korrektur für die Masse zwischen Meßpunkt und Referenzniveau: g. B [m. Gal] = 2·π·ρ·G·h = 0. 0419·ρ [g/cm 3]·h [m] Bouguerplatte: Platte unendlicher Ausdehnung mit der Höhe h und der Dichte ρ Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 24

Bouguerkorrektur an Land g. B [m. Gal] = 0. 0419·ρ·h = 0. 112·h [m]

Bouguerkorrektur an Land g. B [m. Gal] = 0. 0419·ρ·h = 0. 112·h [m] Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 25

Bouguerkorrektur überm Meer g. B [m. Gal] = 0. 0419·(ρw-ρc)·hw = -0. 0687·h [m]

Bouguerkorrektur überm Meer g. B [m. Gal] = 0. 0419·(ρw-ρc)·hw = -0. 0687·h [m] Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 26

Bougueranomalie (Bouguer anomaly, BA) Abweichung von der Normalschwere g 0: ∆g. B = ∆g.

Bougueranomalie (Bouguer anomaly, BA) Abweichung von der Normalschwere g 0: ∆g. B = ∆g. F - g. B (= g. B - g 0) Bouguerschwere: g. B = gbeob + g. F - g. B Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 27

[m. Gal] Beispiel für FAA & BA Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26.

[m. Gal] Beispiel für FAA & BA Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 28

Bedeutung von FAA & BA Freiluftanomalie (FAA) → Information über Isostasie (FAA = 0

Bedeutung von FAA & BA Freiluftanomalie (FAA) → Information über Isostasie (FAA = 0 bei Isostasie) gtop → Information über Mohotiefe Bougueranomalie (BA) (z. B. BA < 0 bei Krustenwurzel) Strobach (1991): Unser Planet Erde Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner topographische Korrektur ( gtop): berücksichtigt die Schwerewirkung seitlicher Massen 29

Zwischenaufgabe Zweiergruppen: Definition / Bedeutung von • Geoid 5 min. • Normalschwere • Freiluftanomalie

Zwischenaufgabe Zweiergruppen: Definition / Bedeutung von • Geoid 5 min. • Normalschwere • Freiluftanomalie • Bougueranomalie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 30

Einflußfaktoren Interpretation nie eindeutig, da mehrere Faktoren die Schwereanomalie beeinflussen: • Tiefe (z) •

Einflußfaktoren Interpretation nie eindeutig, da mehrere Faktoren die Schwereanomalie beeinflussen: • Tiefe (z) • Größe (R) • Dichtekontrast (∆ρ) Berckhemer, H. (1990): Grundlagen der Geophysik. Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 31

Kugelförmiger Körper Tiefe (z) Größe (R) Dichtekontrast (∆ρ) Unterschiedliche Interpretationen derselben Schwereanomalie Moores, R.

Kugelförmiger Körper Tiefe (z) Größe (R) Dichtekontrast (∆ρ) Unterschiedliche Interpretationen derselben Schwereanomalie Moores, R. J. & Twiss, E. M. (1995): Tectonics. Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 32

Halb-unendliche Platte 0. 25 0. 50 0. 75 - 1. 00 0 - Asymmetrische

Halb-unendliche Platte 0. 25 0. 50 0. 75 - 1. 00 0 - Asymmetrische Schwereanomalie, die Hälfte ihres Maximalwertes genau über dem Plattenbeginn erreicht Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 33

2 halb-unendliche Platten Beispiel: passiver Kontinentalrand Amplitude abhängig von Massenanomalie (∆ρ·∆h) Gradient abhängig von

2 halb-unendliche Platten Beispiel: passiver Kontinentalrand Amplitude abhängig von Massenanomalie (∆ρ·∆h) Gradient abhängig von mittlerer Tiefe (z) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 34

Passiver Kontinentalrand Freiluftanomalie sollte Null sein (Isostasie gegeben; keine Topographie). Aber: unterschiedliche Tiefen der

Passiver Kontinentalrand Freiluftanomalie sollte Null sein (Isostasie gegeben; keine Topographie). Aber: unterschiedliche Tiefen der Massenanomalien (d. h. unterschiedl. Gradienten) führen zum Randeffekt (edge effect). Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 35

Randeffekt Positive Fläche = Negative Fläche → Isostasie Atlantikküste der USA Grundlagen der Geodynamik

Randeffekt Positive Fläche = Negative Fläche → Isostasie Atlantikküste der USA Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 36

Orogen Unterschiedliche Tiefen von Topographie und Krustenwurzel → Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen),

Orogen Unterschiedliche Tiefen von Topographie und Krustenwurzel → Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner Randeffekt 37

Randeffekt bei Orogenen Tibet (Mc. Kenzie & Fairhead, 1997) Aber: Flexur spielt ebenfalls eine

Randeffekt bei Orogenen Tibet (Mc. Kenzie & Fairhead, 1997) Aber: Flexur spielt ebenfalls eine Rolle → Vorlandbecken mit Sedimenten geringerer Dichte → negative Anomalie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 38

Beispiel Ostkarpaten Freiluftanomalie → Isostasie Bougueranomalie → Mohotiefe Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen),

Beispiel Ostkarpaten Freiluftanomalie → Isostasie Bougueranomalie → Mohotiefe Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 39

Testen tektonischer Modelle Modellierte Schwereanomalien Versteilung des Slabs Gemessene Schwereanomalien Abreissen des Slabs Vrancea

Testen tektonischer Modelle Modellierte Schwereanomalien Versteilung des Slabs Gemessene Schwereanomalien Abreissen des Slabs Vrancea Delamination Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner Delamination zeigt die beste (großräumige) Übereinstimmung 40

Airy Isostasie Verdickung der Kruste Hebung Verdickung des lith. Mantels Subsidenz Ausgangsmodell Grundlagen der

Airy Isostasie Verdickung der Kruste Hebung Verdickung des lith. Mantels Subsidenz Ausgangsmodell Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 41

Aufgaben • Ausgangssituation: keine Isostasie 20 min. • Freiluft- und Bougueranomalie skizzieren • Was

Aufgaben • Ausgangssituation: keine Isostasie 20 min. • Freiluft- und Bougueranomalie skizzieren • Was muss passieren, damit Isostasie herrscht? Skizze • Freiluft- und Bougueranomalie skizzieren • Ergebnisse präsentieren (nächste Stunde !!) Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 42

Zusammenfassung • Variationen der Schwere mit dem Breitengrad Normalschwere g 0 • Geoid, -undulationen

Zusammenfassung • Variationen der Schwere mit dem Breitengrad Normalschwere g 0 • Geoid, -undulationen • Topographie Freiluft- / Bouguerkorrektur: an Land: g. B = g. F = 0. 308·h 0. 112·h überm Meer: g. F = 0 (h=0) g. B = -0. 0687·hw ∆g. F = gbeob+ g. F - g 0 • Freiluft-Anomalie Isostasie (Flexur, . . . ): • Bouguer-Anomalie g. B Mohotiefe (Beckentiefe, . . . ): ∆g. B = ∆g. F - • Einflußfaktoren: - Tiefe - Größe - Dichtekontrast • Randeffekt FAA ≠ 0, trotz Isostasie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 43