1. Einführung und Geschichtliches: Vereinfachter Schalenaufbau der Erde

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1 8. Plattentektonik 0. Einführung und Geschichtliches 1. Plattentektonik (Gegenwärtig) 1.1 Divergierende Plattengrenzen Kontinentale Riftgebiete Mittelozeanische Rücken 1.2 Konvergierende Plattengrenzen Subduktionszone Kontinent-Kontinent-Kollisionsgebirge (z.b. Alpen 1.3 Konservierende Plattengrenzen Transformstörung 1.4 Mantel Plumes 2. Rekonstruktion von Plattenbewegung (Paläokontinentlagen) 3. Gebirgsbildung in Europa

2 1. Einführung und Geschichtliches: Vereinfachter Schalenaufbau der Erde

3 Milestones der letzten 90 Jahre 1915 Kontinentaldrift (Alfred Wegener) Kontinentumrisse passen zusammen Kontinente driften ( schwimmen ) 1929 Entdeckung Mittelozeanischer Rücken 1936 Konvektion Flüssigkeitsänliche Bewegungen im Erdinneren 1960 s Plattentektonik Magnetische Muster der Ozeanböden seafloor spreading Hypozentren von Erdbeben zeigen Subduktionzonen (Benioff-Zone) Paläogeographische Zusammenhänge

4 Anfänge der Plattentektonik Morphologie und Alter der Meeresböden wurde Anfamg der 60er Jahre vor allem mit dem amerikanischen Schiff Glomar Challenger untersucht. Entdeckung magnetische Anomalien der Ozeanböden und deren jungen Alters an um Mittelozeanische Rücken. Harry Hess

5 Ein weitere wichtiger Schritt war die systematische Registrierung von Erdbeben weltweit, wobei deren Epizentrum anhand von Seismogrammen von mindestens drei Messstationen berechnet wurden. Das Beispiel zeigt die Bestimmung eines Epizentrums in der Nähe von Mayen in der Eifel.

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8 Kartierungen von Epizentren weltweit, zeigen wo sich Plattengrenzen befinden.

9 Tiefenlage der Hypozentren unter Vulkanen (Wadati-Benioff-Zone), woraus gefolgert wurde, dass dort ozeanische Kruste subduziert und im Erdmantle aufgearbeitet (destruktive Plattengrenze) wird.

10 Karte der Alter der Ozeanböden. Nur sehr wenig Ozeanische Kruste mit Altern über 100 Ma existiert gegenwärtig noch.

11 Ozeanische Spreizungszentren, welche Ringförmig um die Antarktis verlaufen, was die relativ stabile und klimatisch besonders bedeutsame Pollage der Antarktis ermöglicht.

12 Die 17 Lithosphärenplatten weltweit: Jede Platte besteht zu oberst aus ozeanischer oder kontinentaler Kruste und darunter aus einem Teil des Oberen Mantel (Lithosphärischer Mantel), der sich aufgrund entsprechender Abkühlung relativ starr und nicht mehr plastisch verhält. Je älter eine Platte ist, desto dicker ist sie in der Regel, weil die Platten von Oben nach unter zunehmend abkühlen, sodass darunter zusätzlicher asthenosphärischer Mantel an der Platte durch Abkühlung haften bleibt und so zur Lithosphäre wird.

13 Die Verteilung von Höhen und Tiefen auf dem Globus Prozent der Erdoberfläche 10 km Kumulative Häufigkeit (%) der Höhen- und Tiefenverteilung auf der Erdoberfläche Höchste Gebirge 10 km 5 km 0 km 5 km mittlere Höhe Meeresspiegel Kontinentalhang mittlere Meerestiefe 5 km 0 km 5 km 10 km tiefste Meeresrinnen 10 km

14 Plattentektonik im System Erde Plattenbewegungen in cm/jahr Divergent, konvergent, transform

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16 Plattentektonisches Modell nach Green und Ringwood (1968). Wesentliche Aussagen sind noch heute gültig. Falsch dargestellt ist, das die Ozeanische Lithosphärenplatte konstant etwa 100 km dick ist (ihre Dicke nimmt mit der Zeit zu). Die Schmelzbildung unter Mittelozeanische Rücken beginnt erst oberhalb von 50 km Tiefe im Spinellstabilitätsbereich.Bildung Andesitischer Magmen aus der Ozeanische Kruste spielt nur an ganz wenigen Subduktionszonen (>3%) eine Rolle.

17 Wesentliche Elemente des Plattentektonischen Modells vereinfacht dargestellt:

18 Ozeanisches Spreizungszentrum Vulkanische Beben (Mittelozeanischer Rücken Subduktionszone an einem Kontinentrand = Aktiver Kontinentalrand = Destruktive Plattengrenze Kontinent-Kontinent-Kollisionszone Transformstörungszone

19 Schnitt durch die Erde mit den Hauptelementen der Plattentektonik (Mittelozeanische Rücken und Tiefseegräben mit Subduktionszonen). Aus: Simon Lamb. S. & Sington, D. (2000) Die Erdgeschichte. Eine Spurensuche durch Jahrmillionen. Könemann, Bonn, 240 S. Zur Plattentektonik

20 Modelle zur Mantelkonvektion From Tilling, USGS From Hans-Peter Bunge

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22 Die Stadien eines Wilson-Zyklus Ein Wilson-Zyklus beschreibt die Entstehung, die Entwicklung und das Verschwinden eines Ozeans. An verschieden weit entwickelter ozeanischer Kruste kann man einzelne Stadien eines Wilson-Zyklus beobachten: 1. Bildung eines kontinentalen Grabens (Ostafrikanischer Graben) 2. Beginnende Ozeanisierung (Rotes Meer) 3. Maximale Ausdehnung der ozeanischen Kruste mit passiven Kontinentalrändern (Atlantik) 4. Subduktion der ozeanischen Kruste mit aktiven Kontinentalrändern (Pazifik) 5. Restozean (Mittelmeer) 6. Kontinent Kontinent Kollision (Himalaya)

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24 1.1 Divergierende Plattengrenzen Kontinentale Riftgebiete Rekonstruktion des Großkontinents Pangäa vor mehr als 250 Ma, bevor dieser entlang Kontinentaler Riftgebiete begann zu zerbrechen.

25 Das Rifting könnte im Bereich ehemaliger Hot Spots (durch Lavadecken belegt, s. unten) begonnen haben. Lavadecken der Kreidezeit umgezeichnet nach Windley, 1996

26 1. Grabenbildung (Rifting) Beginnt mit einem Tripelpunkt auf kontinentaler Kruste Süd- Amerika Afrika Äquator Kreide Tripelpunkt Rotes Meer Äquator Golf von Aden Afar-Senke Umgezeichnet nach Windley, 1996 Rezent Benue-Trog (Aulakogen)

27 Entwicklung eines kontinentalen Grabens Evaporite (Salze) terrestrische Sedimente Tuffe, vulkanischer Schutt Lavadecken aufdringendes basaltisches Magma Merkmale von kontinentalen Gräben: Hohe Seismizität Hoher Wärmefluß Magmatismus und Vulkanismus Negative Schwere-Anomalie (Bouguer-Schwere)

28 Kontinentales Rifting: Beispiel Rheintalgraben

29 Der Ostafrikanische Graben W Western Rift Gregory Rift E Nairobi Länge km Breite km Versatz > m

30 1.1.2 Mittelozeanische Rücken Spreizung

31 Entstehung neuer ozeanischer Kruste am Beispiel des Roten Meeres, Golf von Aden und Afarsenke Afar- Dreieck NASA Foto SCI-1458, Gemini XI

32 Das Afar-Dreieck (Danakil-Senke) Aus Frisch & Löschke, 1986

33 hypothetisches Profil durch die Afar-Senke Aus Frisch & Löschke, 1986

34 Ozeanische Spreizungszentren Ozeanischer Rücken Basalte Sheeted Dikes Gabbros verarmte Lithosphäre Beginn der Schmelzbildung in km Tiefe Asthenosphäre Wegen des Auseinanderziehens der Platten steigt warmer Mantel im Dehnungsbereich der Lithosphäreplatte auf. Da Gesteine schlechte Wärmeleiter sind, kühlt die aufsteigende Masse trotz sehr langsamen Aufstiegs (nur einige cm im Jahr) nicht wesentlich ab, die Wärme aus der Tiefe wird mitgebracht (senkrechter grüner Pfeil auf Druck/Temperatur Diagramm, vorherige Seite). In km Tiefe ist der Solidus wiird der Solidus durch die adiabatische Dekompression überschritten und der Mantelperidotit beginnt zu schmelzen (s. nächste Folie).

35 Das Abbildung links zeigt die Entstehung von Basaltmagma aus einem Mantelgestein, in diesem Fall ein Granatlherzolith, der aus grüngelb-lichen Olivin- und Orthopyroxenkristallen, dunkelgrüne Klinopyroxenkristallen und rote Granat-kristallene besteht. Bei der Teilschmelzbildung werden bevorzugt die Granat- und Klinopyroxenkristalle aufgeschmolzen, weil diese einen niedrigeren Schmelzpunkt haben. Aus diesen beiden Mineralen entsteht ein basaltische Schmelze (ca Volumenprozent des Ausgangsgesteines) und es verbleibt ein harzburgitisches Residuum welches vor allem aus Olivin und Orthopyroxen besteht.

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37 Spreizungsachsenvulkanismus Transformstörungen versetzen die Spreizungsachse. Der Verlauf der Störung ist parallel zur Plattenbewegungsrichtung. Entlang der Störung bewegen sich die Platten horizontal aneinander vorbei. Entlang Transformstörungen finden die stärksten Erdbeben der konstruktiven Plattengrenzen statt. Detail der Karte von der nächsten Folie

38 Spreizungsachsenvulkanismus Die Form der Spreizungsachse ändert sich mit der Spreizungsrate. Bei sich langsam spreizender Achsen (Spreizungsraten bis 5-8 cm/jahr) sitzt der aktive Vulkan in einem Tal (unten links im Profil gezeigt, rechts als topographische Karte vom äquatorialen Atlantik dargestellt). Bei sich schnell spreizender Achsen stellt der Vulkan die höchste bathymetrische Stelle dar. Vergrößert auf der vorherigen Folie

39 Spreizungsachsenvulkanismus Magma kann unter Wasser nicht weit fließen, durch die Abkühlung bildet sich sofort eine feste Aussenhaut am Lavafluss. Die Haut ist meist glasig und wird immer wieder von nachfließendem Magma aufgerissen. Der Magma eruptiert entweder wie Zahnpasta (untere Bildhälfte) oder in Form von Kissen, sogenannten Pillows (obere Bildhälfte, immer noch mit der Austrittsstelle verbunden).

40 Spreizungsachsenvulkanismus Lavaröhren Ein Haufen Kissenlaven Die Spreizungsachsenlaven sind meistens Basalte, ein dunkles Gestein mit hohen Gehalten an Silizium, Aluminium, Magnesium und Eisen. In den Basalten sind oft Kristalle von Olivin (Fe Mg SiO 4 ), Clinopyroxen (Ca (Fe,Mg) Si 2 O 6 ), Orthopyroxen (Fe Mg Si 2 O 6 ) und Plagioklas (CaAl 2 Si 2 O 8 ) zu finden.

41 Spreizungsachsenvulkanismus Alle Bilder auf dieser Seite Woods Hole Oceanographic Institute science.whoi.edu/divediscover/ Das heiße Magma im Untergrund treibt eine heftige Wasserzirkulation durch Konvektion an. Kaltes Wasser dringt an den Rückenflanken ein (1), wird erwärmt und reagiert mit den Gesteinen (2, 3, 4), so dass eine saure, sauerstofffreie und metallhaltige Lösung entsteht. Diese hydrothermale Lösung erreicht schließlich Temperaturen um 370 C (5) und steigt wegen einer geringeren Dichte auf (6). Auf dem Weg zur Oberfläche (6) und bei Kontakt mit dem Meerwasser (7) werden Metallsulfide ausgeschieden. Beim Austritt (7; Fotos) erzeugen diese Ausscheidungen trübes Wasser, sog. Schwarzer Raucher.

42 Spreizungsachsenvulkanismus Weiße Krebse Riesenmuschel Auf und um die Schwarzen Raucher leben viele Tiere und Pflanzen, die als Hauptenergiequelle nicht die Sonne sondern die magmatische Wärme nutzen. Sie enthalten meist symbiotische Mikroorganismen, die die Schwefelwasserstoffe in den austretenden schwefeligen Lösungen oxidieren und die gewonnene Energie für die Produktion von Kohlenwasserstoffen nutzen. Besonders unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen müssen die Tiere sein, einige Würmer zum Beispiel können Temperaturunterschiede zwischen ca. 80 C am Fuß und 2 C am Kopf standhalten! Blinder Fisch Alle Bilder auf dieser Seite Woods Hole Oceanographic Institute science.whoi.edu/divediscover/ Rohrwürmer

43 1.2 Konvergierende Plattengrenzen Subduktionsvulkanismus An Subduktionszonen werden Ozeanplatten zurück ins Erdinnere recycelt. In der ozeanischen Platte wurde sowohl während der Hydrothermalmetamorphose kurz nach ihrer Entstehung als auch während der Jahrmillionen danach, Meerwasser in Minerale eingebaut (Zeolithisierung, Chloritisierung, Serpentinisierung u.a.). Das Wasser mineralisch gebundene Wasser wird während der Subduktion durch Druck- und Temperaturerhöhung freigesetzt, wenn die Stabilitiätsbereiche einzelner Minerale überschritten werden. Das freigesetzte Wasser steigt in den darüber liegenden Mantel auf und verursacht dort eine Schmelzpunkterniedrigung. Dadurch entstehen im Mantelkeil Teilschmelzen. Oben: Tolbachik Vulkan, Kamchatka, Rußland. Rechts: Profil durch einer Subduktionszone mit kontinentale Kruste. Beide aus Davidson et al Exploring Earth Prentice Hall

44 Die Abtauch-Winkel subduzierter Platten hängen von deren Alter (i.e. Dichte) und der Konvergenz-Rate ab

45 Akkretion versus Subduktionserosion? Variablen: Konvergenzgeschwindigkeit Subduktionswinkel Sedimente im Tiefseegraben Morphologie der ozeanischer Kruste (Aseismische Rücken, Mittelozeanische Rücken)