Konvektion im Erdmantel II Institut fr Geowissenschaften Universitt

Konvektion im Erdmantel (II) Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam 03. 12. 2008 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Übersicht zur Vorlesung VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Übergang zu einer kontinuumsmechanischen Beschreibung 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 Erde mit der Tiefe abnimmt ? VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Was passiert, wenn die Viskosität in der Erde mit der Tiefe abnimmt ? VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Plattentektonik auf der Venus „stagnant lid“ VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

„stagnant lid“ „Lithosphäre“ VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Was versteht man unter der „Lithosphäre“ ? -> Kruste VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Plate Motion Calculator gelbe Vektoren: Nuvel-1 A NNR Geschwindigkeiten violette Vektoren: GPS Geschwindigkeiten http: //www. unavco. org VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Plattentektonik Ozeane Kontinente 3 Typen von Plattengrenzen 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

Aufbau kontinentaler Kruste 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 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 • chemisch } physikalisch VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Seismische Charakterisierung • an der Moho Anstieg der seismischen Wellengeschwindigkeit 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 Tiefe in Europa VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Vergleich zw. Kontinent - Ozean Fowler 1990 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Dämpfung seismischer Wellen „low velocity zone“ Condie 2005 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Seismizität: Intraplattenbeben Stein & Stein 1996 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Double Seismic Zone (DSZ) trench Abers 1996 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 als thermische Grenzschicht Stein & Stein 1996 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Vergleich von Abkühlungsmodellen thermal equilibrium at ~ 70 Myr. HS - half space cooling model PSM - plate cooling model, Parsons, Sclater & Mc. Kenzie 1977 GDH 1 - dünnere Lithosphäre mit höherer Basaltemperatur, Stein & Stein 1996 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Thermische Struktur der ozeanischen Lithosphäre GDH 1 Modell Stein & Stein 1996 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

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Mechanische Charakterisierung • durch Rheologie der Gesteine • rigide Lithosphärenplatten • Berechnung der Biegesteifigkeit bzw. Flexurisostasie VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Schematische Darstellung der Festigkeit ozeanische vs. kontinentale Lithosphäre Kearey & Vine 1990 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Prinzip der Isostasie Zwischen den unterschiedlichen Krustentypen und 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 0809

The weight of all columns above the compensation depth are equal Higher mountains are compensated by deeper roots Pratt vs. Airy model VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Biegesteifigkeit / Flexurisostasie Aber: benachbarte lithosphärische Blöcke sind mechanisch (visko-elastisch) gekoppelt ! VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Kopplung elastischer, spröder und viskoser Modelle Schematic diagram showing the bending stresses that develop in (a) An elastic plate (b) A plate whose strength is (c) limited by brittle deformation in its upper part and ductile flow 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 (rs - rw) (1 -e-la cos(la))/(rm-rs) l = {(rm-rs) g / 4 D}1/4 „wave number“ zunehmende Biegesteifigkeit: zmax => 0 abnehmende Biegesteifigkeit: Isostatisches GG zmax => h (rs - rw)/(rm-rs) „elastische Dicke“ VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Vergleich verschiedener Biegesteifigkeiten zum Vergleich Stahl ~ 106 Nm VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Beispielrechnungen für die elastische Schwelle Kearey & Vine 1990 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Beispielrechnungen für die elastische Dicke Fowler 1990 D ~ 1023 Nm aus Geländeaufschluss, E ~ 70 GPa aus Labormessungen, s ~ 0. 25 ergibt eine elastische Dicke von T ~ 25 km für eine Halbbreite der Depression von 150 km bzw. l-1 = 64 km (Fowler 1990, Seite 182). 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 relativ zu 6051 km Radius % Erde relativ zur Meeresoberfläche VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Mars Elevation (m) VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Krustenelevationen nur die Erde und ansatzweise der Mars zeigen 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

Referenzen • Global Tectonics, P. Kearey & F. J. Vine, 1990 • The Solid Earth, C. M. R. Fowler, 1990 • Thermo-mechanical Evolution of Oceanic Lithosphere: Implications for the Subduction Process and Deep Earthquakes, Seth Stein & Carol A. Stein, 1996 • Plate Structure and the Origin of Double Seismic Zones, G. A. Abers, 1996 • Isostacy and Flexure of the Lithosphere, Lithosphere A. B. Watts, 2001 • Geodynamik der Lithosphäre, Kurt Stüwe, 2002 • Earth as an Evolving Planetary System, System K. C. Condie, 2005 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809

Zusammenfassung Die Konvektion im Erdmantel führt infolge der Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Mantelgestein zur Herausbildung einer relative starren und rigiden oberen thermischen Grenzschicht, der Lithosphäre. Die Lithosphäre der Erde setzt sich aus verschiedenen lithosphärischen Platten zusammmen, die jeweils voneinander durch rheologische Schwächezonen getrennt sind. Die gegenseitigen Verschiebungen dieser Platten im Ergebnis der wirkenden geodynamischen Kräfte führt zu der an der Erdoberfläche sichtbaren Plattentektonik 03. 12. 2008 VL Geodynamik & Tektonik, WS 0809