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) LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 2 Prof. Dr. Eduard Kissling Plate movement reconstruction based on paleomagnetic data Ma LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 3 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 5 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 7 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 10 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 12 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 Prof. Dr. Eduard Kissling Siehe auch LV Lithosphäre Kap. 2 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 13 Kapitel 2 Lithosphäre als Mehrschichten-Festkörper (2) Aufbau ozeanischer und kontinentaler Lithosphäre Entscheidend ist die Art der Kruste! Europäische Geotraverse Prof. Dr. Eduard Kissling Siehe auch LV Lithosphäre Kap. 2 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 14 Kapitel 2: die Erdkruste Mächtigkeit der Erdkruste R LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 15 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 +++ LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 17 Prof. Dr. Eduard Kissling 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? LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 18 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 20 Prof. Dr. Eduard Kissling 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) LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 21 Prof. Dr. Eduard Kissling Beispiel Nordamerika: auch die Kruste von Kratonen ist bereits als Konglomerat aufgebaut Was schliessen wir daraus? LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 22 Prof. Dr. Eduard Kissling 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) LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 24 Prof. Dr. Eduard Kissling Aufbau und Isostasie der kontinentalen Lithosphäre LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 25 Prof. Dr. Eduard Kissling Aufbau und Isostasie der ozeanischen Lithosphäre LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 26 Prof. Dr. Eduard Kissling Kapitel 3 Zyklus der ozeanischen Lithosphäre Entstehung ozeanischer Kruste und Mantellithosphäre, Recycling Mantelmaterial, wichtigste Plattenkräfte LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 27 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 30 Prof. Dr. Eduard Kissling 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? LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 32 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 Prof. Dr. Eduard Kissling 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! LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 36 Prof. Dr. Eduard Kissling Ca. 40 Ma Ozeanische Lithosphäre wird subduziert … früher oder später LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 37 Prof. Dr. Eduard Kissling 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 LV Tektonik Herbstsemester 2015__ 38 Prof. Dr. Eduard Kissling
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