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 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 ∆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. 08, Blanka Sperner 3
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, Blanka Sperner 5
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 = 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 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
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· 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 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 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: • 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 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, Blanka Sperner 17
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 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. 08, Blanka Sperner 20
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 = 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 23
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] 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] 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. 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. 05. 08, Blanka Sperner 28
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 • 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) • 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. 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 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 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 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 und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 36
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 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), 26. 05. 08, Blanka Sperner 39
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 Geodynamik und Tektonik (Übungen), 26. 05. 08, Blanka Sperner 41
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 • 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
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