Entwicklung der Litho- und Biosphäre (Geologie)

Transkript

1 Entwicklung der Litho- und Biosphäre (Geologie) Prof. Dr. Eckart Wallbrecher Winter-Semester 2004/05 Mo, Di, Mi, Do Uhr Hörsaal Mineralogie

2 Lehrbücher der Allgemeinen Geologie

3 Historisch wichtige Publikationen

4 Stellung der Geologie in den Naturwissenschaften Nachbar- und Hilfswissenschaften: Physik Chemie Biologie Astronomie Mathematik Dynamik, Stoffum- Fossilien Frühzeit der Quantifizie- Kinematik wandlungen Sedimen- Erde rung, Atomphysik tation Modelle Erdwissenschaften: feste Erde Atmosphäre Hydrosphäre Geologie Meteorologie Ozeanographie Geophysik Geochemie Paläontologie Petrologie Mineralogie Geomorphologie

5 Geologie: Verschiedene Forschungsansätze: 1) 1) genetisch, historisch Historische Geologie 2) 2) kausalanalytisch Allgemeine Geologie

6 Allgemeine Geologie Forschungsziel: Verstehen der geodynamischen Prozesse Herkunft der Kräfte: Endogene Prozesse Aus dem Erdinneren z.b. Wärmehaushalt, Wärmetransport Geotektonik (Plattenbewegungen) Gebirgsbildung Exogene Prozesse Von außen (von der Sonne) z.b. Verwitterung, Sedimentation

7 Herkunft der Energie: Exogen: Solarkonstante (extraterrestrisch) 1367 m W2 Endogen : Erdwärme (Geothermik) a) primordial b) neu entstehend

8 Wärme steuert geodynamische und geochemische Prozesse Tektonische Prozesse (Plattenbewegung) Magmatismus Metamorphose

9 Die einzelnen Schalen der Erde km } Kruste } Lithosphäre } Asthenosphäre } Oberfläche } Oberer Mantel } } } Übergangszone Unterer Mantel Äußerer Kern Innerer Kern Mittelpunkt

10 Seit wann? Alter der Erde und der Planeten: 4.56 Ga Terrae des Mondes : 4.55 Ga Älteste Gesteine (Isua-Gneise): 3.8 Ga

11 Wie ist die Verteilung fest flüssig? Diese Frage läßt sich mit dem Studium der Seismizität beantworten Kompressionsoder Longitudinalwellen (Primärwellen) Dieser Wellentyp kann auch Flüssigkeiten durchdringen Scher- oder Trans- Versalwellen (Sekundärwellen) Dieser Wellentyp kann Flüssigkeiten nicht durchdringen Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995

12 Ausbreitung von P- und S-Wellen S-Wellen hören an der Grenze zum äußeren Erdkern auf. Hieraus kann man schließen, daß dieser flüssig sein muß. Aus Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995 Verlauf der P-Wellen: Die Schattenzone ist der Bereich, in den die P-Wellen nicht gelangen, weil sie vom Kern abgelenkt werden

13 Das Magnetfeld der Erde Aus Jeanloz (Spektrum), 1987 Das Magnetfeld entsteht durch einen Dynamo aus innerem Kern (Eisen, fest) und Konvektionen im äußeren Kern (flüssig)

14 Zustände der Erdschalen: Innerer Kern : fest Äußerer Kern: flüssig Mantel : fest Asthenosphäre: plastisch

15 Die äußeren Schalen der Erde

16 Petrologie von Kruste und Mantel kontinental: Granit Orthoklas KAlSi 3 o 8 Albit NaAlSi 3 O 8 Quarz SiO 2 Kruste ozeanisch: Basalt Anorthit CaAl 2 Si 2 O 8 Albit NaAlSi 3 O 8 Mantel Peridotit Olivin (Mg,Fe) 2 SiO 4 Pyroxen Mg 2 Si 2 O 6

17 Konvektion bewirkt chemische Zonierung Kruste Diffusion der leichten und großen Elemente in die Kruste Mantel Konvektion Inkompatible Elemente: Large Ion Lithophiles (LIL-Elemente) K, Rb, U, Th

18 Verteilung der Radioaktivität U ppm Th K Wärme 3 Joule/(cm Jahr) kontinentale Kruste x 10-6 ozeanische Kruste x 10-6 oberer Mantel x 10-6 Die Radioaktivität ist ist in in der Erdkruste konzentriert Der obere Erdmantel ist ist an an den LIL-Elementen verarmt. Depleted mantle

19 Radioaktiver Zerfall

20 wichtige radioaktive Isotope: 235 U, 238 U, 232 Th, 87 Rb, 40 K

21 Strahlungsarten α Strahlung: 2 Protonen + 2 Neutronen (He-Kerne) β - Strahlung: Elektronen γ- Strahlung: elektromagnetische Wellen

22 Zerfallgesetz: N λt = N 0 e ( λ = Zerfallskonstante ) Halbwertszeit ( T H ) : N = N 0 2 N 2 0 = N 0 e λ T H 2 = e λ T H λ TH = ln

23 Indirekter Zerfall: U U Th Pb, T Pb, T H H Pb, T H = = =

24 Direkter Zerfall: Neutron Proton + e Rb K Sr Ca + + (ß-Zerfall) e e, T, T H H = = Proton + e - Neutron (inverser ß-Zerfall) K 18 Ar e, T H = Protonen + 2 Neutronen (α Zerfall) Sm 60Nd + α, TH =

25 Altersmessungen mit direktem Zerfall: N 0 = Anzahl der Mutterisotope zu Beginn D = Anzahl der Tochterisotope nach der Zeit t N = Anzahl der Mutterisotope nach der Zeit t N 0 = N + D N = ( N + D) e λt Ne λt = N + D D = N( e λt 1) Ausgangsformel für Altersdatierung

26 Altersdatierungen: Die Isochronen-Methode: Rb/Sr (Th = 4.88 x ) Ausgangsformel: λt D = N ( e 1 87 Sr heute 87 = Sr t = Rb ( e λt 1) Massenspektrometer mißt Verhältnisse, deshalb 86 beziehen auf das stabile Sr Sr Sr heute = Sr Sr t = Rb ( e Sr λt ) 1) Sr Sr Isochrone a tanα = e λt 1 } 87 Sr (Sr-Initial) 86Sr t = Rb Sr

27 Chondriten-Isochrone

28 Indirekter Zerfall: Concordia-Kurve

29 Erdwärme (Geothermik)

30 Arten des Wärmetransportes: Wärmeleitung (Konduktion) cal λ cm sec C Advektion (Aufstieg von Schmelzen) Konvektion (walzenförmiger Wärmetransport)

31 Aus Siever (Spektrum der Wissenschaft), 1987 Konvektionswalzen

32 Der Temperatur-Gradient Der Temperatur-Gradient gibt die Änderung der Temperatur mit der Tiefe an. Τ r [ C/m ; C/km]

33 Mittlere Werte: Mittelwert 30 C/km Geothermische Tiefenstufe 33m/ C Temperaturgänge: täglich 1m jährlich 25m Eiszeit 600m

34 Der Wärmefluß Wärmestromdichte Energie Fläche x Zeit Heat Flow Unit (HFU) 1 HFU = 10-6 cal = 42 cm 2 mw/m2 x sec Mittelwert: 1.5 HFU ~ 60 mw/m 2

35 Wärmefluß in Europa Schottland, Hebriden Edinburg Stockholm Baltischer Schild Paris Bukarest Dinariden Alboran- See Algier Ost- Ägäis

36 Geothermische Tiefenstufen: niedrig: junge Vulkane z.b. Santorini 7 10 m/ C tertiäre Vulkane z.b. Urach Schwäbische Alb 14.3 m/ C hoch: alte Schilde z.b. Kanada 125 m/ C Wärmefluß: alte Schilde Tiefsee ozeanische Rücken HFU < 1.2 HFU > 2 HFU

37 Rot : heiß Blau: kalt 3D-Seismik 150 km Tiefe 350 km Tiefe 550 km Tiefe