Die Erde Teil 2: Endogene Geologie. Die Theorie der Plattentektonik

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1 Die Erde Teil 2: Endogene Geologie Die Theorie der Plattentektonik

2 Theorie der Plattentektonik Entwicklung in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts Revolution für die Geowissenschaften ähnliche wissenschaftliche Umbrüche (Paradigmenwechsel) Physik: Relativitätstheorie von A. Einstein (1905) Biologie: Entdeckung der DNA, die die Erbinformation enthält Hauptbestandteile der Theorie der Plattentektonik Äußere Hülle der Erde besteht aus starren Platten: Lithosphäre Platten bewegen sich auf weichem Untergrund/Substrat: Asthenospäre Relativbewegung der Platten an drei Arten von Plattengrenzen: divergent, konvergent, transform

3 Aufbau der Lithosphäre kontinentale Lithosphäre ozeanische Lithosphäre km km mächtig Kruste Mantel Lithosphäre Asthenosphäre kont. Kruste ρ = 2.7 Mantel ρ = km mächtig lithosphärischer Mantel (Mantellithosphäre) Wasser oz. Kruste Mantel ρ = 3.2 ρ = km Lithosphäre Kruste Mantel Asthenosphäre Kruste-Mantel Grenze: chemische und mineralogische Diskontinuität (Mohorovicic) Kontinente sind Teil der Lithosphärenplatten

4 Divergente Plattengrenzen kontinentale Kruste an mittelozeanischen Rücken wird neue Lithosphäre gebildet ozeanische Kruste Lithosphäre Asthenosphäre Unterschied zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre: Kontrast in Festigkeit: Lithosphäre starr < > Asthenosphäre weich Mantellithosphäre und Asthenosphäre sind chemisch identisch

5 Konvergente Plattengrenzen an konvergenten Plattengrenzen wird ozeanische Lithosphäre zerstört > Transport in große Tiefen (Prozess: Subduktion) subduzierende Platte Tiefseerinne (engl. trench = Rinne, Graben) Anden Oberplatte ozeanische Lithosphäre ozeanische Kruste und lithosphärischer Mantel kontinentale Lithosphäre kontinentale Kruste und lithosphärischer Mantel

6 Transform-Plattengrenzen Transform-Störung Platten gleiten horizontal aneinander vorbei Bewegungsraten (mm/a)

7 Plattenbewegung Erzeugung ozeanischer Lithosphäre an mittelozeanischen Rücken Ozeanische Lithosphäre wirkt als eine Art Förderband > Laterale Bewegung der Kontinente Altersverteilung der ozeanischen Lithosphäre zeichnet Plattenbewegung der Kontinente auf!! Passive Kontinentalränder

8 Alter ozeanischer Lithosphäre Jedes Farbband entspricht einem Zeitraum

9 Aktiver Kontinentalrand Ozeanische Lithosphäre (subduzierte = subduzierende Platte) taucht unter Kontinent (Oberplatte) ab > Subduktion (engl. subduction)

10 Pazifischer Feuerring aktive Vulkane Erdbeben aktive Vulkane an Subduktionszonen

11 Historische Entwicklung der Plattentektonik Gründe für späte Entwicklung: Ozeane waren bis etwa 1940 unbekannt (Art der Gesteine, Alter, Topographie bzw. Bathymetrie) Entstehung des Erdmagnetfelds war bis etwa 1950 unbekannt Methoden zur Altersbestimmung von Gesteinen fehlten Frühe Vorstellungen zur Bewegung von Kontinenten ~ 1600: Europäische Kartographen (u.a. Sir Francis Bacon): Westküste Afrikas und Ostküste Südamerikas passen zusammen 19. Jahrhundert: Identische Pflanzen und Tiere sowie ähnliche Gesteinsabfolgen auf verschiedenen Kontinenten Ende 19. Jahrhundert: E. Suess > Gondwanaland (großer Südkontinent) (Gondwana = Afrika, Südamerika, Australien, Antarktis)

12 Frühe Hinweise auf Verschiebung der Kontinente Afrika und Südamerika passen zusammen Landlebendes Reptil

13 Ursache von Gebirgsbildungen? Hauptproblem der Geologie im 19. Jahrhundert: Wie entstehen Gebirge? Was verursacht die Hebung mariner Sedimente in einige Kilometer Höhe? Mount Everest (8848m) EUROPA: Modell von E. Suess Erde schrumpft durch Abkühlung > Kontraktionstheorie (schrumpfender Apfel) Teile werden gehoben > Gebirge Teile die relativ absinken > Meeresbecken (zeitlicher Wechsel zwischen Land und Meer) AMERIKA: Theorie der Geosynklinalen a) absinkende Sedimentbecken an Kontinenträndern b) Aufheizung der Sedimente, Gesteinsbildung, Verformung und Hebung

14 Neue Befunde und Widersprüche Kontraktionstheorie und Geosynklinaltheorie waren fixistisch > nur vertikaler Transport von Gesteinen, keine horizontale Bewegung 1. Starke Verkürzung von Gesteinsschichten (Schweizer Alpen) > Verkürzung durch Schrumpfung nicht erklärbar 2. Entdeckung der Radioaktivität von Uran 1896 (A.H. Bequerel; Namensgebung durch Marie Curie) > in der Erde wird ständig Wärme erzeugt > Abkühlung der Erde ist in Frage gestellt 3. Prinzip der Isostasie (Schwimmgleichgewicht) > Austauschbarkeit von Landmassen und Ozeanen in Frage gestellt

15 Isostasie in Gebirgen Isostasie = Schwimmgleichgewicht Eis schwimmt im Wasser, Kontinente im Mantel! Wie entdeckte man das Phänomen der Isostasie? geringere Dichte Beobachtung im Himalaya: zu geringe Ablenkung einer Masse durch das Gebirge 2 mögliche Erklärungen Bezugsniveau mit gleicher Auflast

16 Isostasie Masse pro Einheitsfläche ist über der isostatischen Kompensationstiefe identisch AIRY PRATT gleiche Dichte variable Dichte Leichte Kontinente schwimmen auf schwerem Substrat > keine Austauschbarkeit von Landmassen und Ozeanen

17 Wegeners Ausweg 1912: dt. Meteorologe & Astronom A. Wegener postuliert Kontinentalverschiebung 1915: Publikation des Buches: Die Entstehung der Kontinente und Ozeane Argumente: auf verschiedenen Kontinenten ähnliche Tiere, Pflanzen und Gesteine; Spuren von Vergletscherungen nahe des Äquators Glossopteris (Perm, Australien)

18 Wegeners Rekonstruktion von Pangäa Pangaea: griech. Gesamterde Eis (Vergletscherung) Kohle Salz Gips ehemalige Wüsten > Kontinente wandern auf weichem Substrat Erklärung für Gebirgsbildung: Kontinente kollidieren > Verkürzung, Verdickung und Hebung der Kruste 20er Jahre: Heftige Diskussionen um die Theorie

19 Diskussion um Wegeners Hypothese Eigenschaften des Substrats: flüssig oder fest?? Modell von Holmes (1929): Konvektionsströme im Mantel treiben Kontinente an verdickte Kruste

20 Argumente gegen Wegener 1. Erdbebenwellen im Erdmantel breiten sich in festem Material aus! 2. Isostasie-Modell von Pratt war vorherrschend: > keine Wurzel unter Gebirgen! Folge: Ablehnung Wegeners Theorie Wegener stirbt 1930 auf einer Expedition in Grönland

21 Untersuchungen in den Ozeanen Gilt Prinzip der Isostasie auch unter Ozeanen? Messung von g am Rand der Kontinente > Negativen Schwereanomalie am Rand der Kontinente Kontinent negative Schwereanomalie Ozean Modell von Harry Hess (1933) > an Kontinenträndern: Transport leichten Krustenmaterials in große Tiefen Geophysiker Richter & Gutenberg: Erdbeben rund um Pazifik > Transport von Material unter die Kontinente. 1939: der 2. Weltkrieg bricht aus Alliierte erleiden schwere Verluste durch deutsche U-Boote

22 Die Erforschung der Ozeane 1941: Beginn bathymetrischer Untersuchungen > Entdeckung von Guyots (untermeerische Vulkane mit flacher Oberseite) > Wirkung der Brandung > Absinken der ozeanischen Kruste Guyot vor Kalifornien Während des 2. Weltkrieg: Entwicklung extrem sensitiver Magnetometer > zur Aufspürung feindlicher U-Boote

23 Magnetfeld der Erde veraltete Vorstellung eines Stabmagneten E. Bullard erforscht nach dem 2. Weltkrieg das Magnetfeld: > Ursache: Konvektionsströme im flüssigen, äußeren Erdkern > Magnetfeld könnte sich zeitlich verändern.

24 Die Erforschung der Ozeane Erste magnetische Untersuchungen im Ozean ( ) > schmale Streifen unterschiedlicher Intensität: magnetische Streifenmuster (zebra pattern) > Unerklärlich!! Nordwest- Amerika 1185 km magnetische Muster werden anscheinend durch Störungen versetzt Raff & Mason (1961)

25 Magnetische Anomalien bei Island Orientierung: symmetrisch zum mittelatlantischen Rücken > Zusammenhang Magnetik & Bathymetrie Wärmeflussmessungen: Wärmefluss aus dem Erdinnern ist an mittelozeanischen Rücken deutlich erhöht!

26 Magnetische Untersuchungen an Vulkanen Unterschiedlich alte Lavaströme auf Kontinenten zeigen ebenfalls magnetische Anomalien! jünger älter Entstehungsmechanismus Abkühlung durch die "Curie-Temperatur" > magnetische Minerale richten sich in Richtung des Magnetfeldes aus > Magnetfeld wird eingefroren (z.b. im Mineral Magnetit, Fe 3 O 4 ) > Wiederholte Umpolung des Erdmagnetfelds um 180 > Abfolge von Laven ergibt Geschichte des Erdmagnetfelds

27 Magnetische Epochen (Zeitalter) Voraussetzung: Altersbestimmung von Gesteinen > U-Pb und K-Ar Datierungsmethoden waren gerade entwickelt worden > 1963 waren vier magnetische Epochen datiert Zeit in Millionen von Jahren Heute

28 Entstehung magnetischer Streifenmuster Erklärung: Vine & Matthews (1963) Alter/Magnetisierung kontinentaler Laven > Anwendung auf ozeanische Kruste. > Korrelation zwischen Ozeanen und Kontinenten Breite der Anomalien und ihr Alter > Rate des "sea floor spreading" Alter von Laven an Vulkanen Magnetische Streifenmuster

29 Entstehung magnetischer Streifenmuster Vine & Matthews (1963)

30 Graben auf Island Kruste driftet auseinander

31 Die Rolle der transform-störungen mittelozeanischer Rücken Störungen Falsch Hypothese: T. Wilson (1965) transform faults

32 Test der Hyphothese Hypothese: T. Wilson (1965) mittelozeanischer Rücken Richtung des spreading transform faults inaktive transform faults = fracture zones (Bruchzonen) US-Militärs: Aufbau eines weltweiten Netzes von Seismometern ( ) > Überwachung von Atomtests im Kalten Krieg. Lage von Erdbeben und Bewegungsrichtung an transform faults bestimmbar. L. Sykes (1967) bestätigt Wilson`s Hypothese

33 Unterschied Blattverschiebungen < > transform faults dextrale Blattverschiebung versetzt inaktiven Rücken Aktive transform fault (sinistral) zwischen zwei aktiven Segmenten eines MOR Relativbewegung nur zwischen ridges

34 Erdbeben am Mittelatlantischen Rücken Erdbeben nur an transform faults Inaktive Bereiche: fracture zones Relativbewegung keine Bewegung

35 T. Bullard`s Plattenrekonstruktion Öffnung des Atlantik wurde rückgängig gemacht (publiziert 1965)

36 Globale Bathymetrie der Ozeane Globale Bathymetrie der Ozeanböden unter Geheimhaltung (US army). Umgehung der Geheimhaltung: > Publikation einer berühmt gewordenen physiographischen Karte des Meeresbodens (1977). > globales System mittelozeanischer Rücken wird sichtbar Heezen & Tharp (1977)

37 Oreskes, N. & Le Grand, H. (Hrsg.; 2002): Plate tectonics: an insider s history of the modern theory of the Earth.- Westview Press, 424

38 Platten und Bewegungsraten Ableitung der Geschwindigkeiten aus Alter und Breite der magnetischen Anomalien

39 GPS = global positioning system 24 Satelliten, deren Position zu jeder Zeit exakt bestimmt ist Geschwindigkeit der Platten über kurze Zeiträume messbar GPS Empfänger in Kalifornien

40 Unterschiede zwischen Plattentektonik und Wegener`s Kontinentaldrift Kontinente driften nicht durch weiches Substrat, sondern sind Teil von Platten Neue ozeanische Kruste entsteht nicht durch Verschiebung der Kontinente, sondern durch den Prozess des sea floor spreading Ozeanische Lithosphäre wird entlang von Subduktionszonen subduziert

41 Literatur Buchempfehlung: UNDERSTANDING EARTH Autoren: Press, Siever, Grotzinger, Jordan; 4. Auflage 2004, W.H. Freeman and Company, New York, 567 Seiten IN GEOBIBLIOTHEK vorhanden

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43 Bildung einer Subduktionszone im Indischen Ozean Atlantik vergrößert sich und Pazifik schrumpft Mittelmeer ist verschwunden