Afrika befand (damals als Teil von Godwanaland zusammenhängend).

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1 Geophysik 4. Fraktale und chaotische Prozesse Wir beobachten Prozesse, die sich, auch wenn wir ihre Vergangenheit vollständig kennen würden, nicht vorhersagen lassen. Die räumlichen oder zeitlichen Strukturen, die diese Prozesse erzeugen, sind selbstähnlich. Die Plattentektonik lässt sich heute durch Wiederholungsmessungen mit GPS (Global Positioning System) direkt nachweisen. Für die Menschheit sind besonders zwei Konsequenzen der Plattentektonik bedeutsam: Vulkanismus und Erdbeben Plattentektonik Wir kehren zur Modellvorstellung von den Konvektionswalzen im Erdmantel zurück: Wenn wir jetzt noch einige Lithosphärenplatten auf die Konvektionszellen packen, haben wir eine Plattentektonik, in der die Konvektion der verantwortliche physikalische Mechanismus ist. Das Modell ist noch zu einfach: Während in den ersten Modellen die Lithosphärenplatten nur passive Reiter auf den Konvektionszellen waren, haben wir jetzt Hinweise darauf, dass die Bewegung dieser Platten selbst etwa das Eintauchen eines subduzierten Slabs in den Mantel - eine der die Konvektion treibenden Kräfte ist. Bisher gar nicht verstanden ist die Koexistenz von Konvektionszellen und sogenannten Plumes, unter denen man sich schnelle Aufströme von heissem Material vorstellt. Einige Wissenschaftler glauben, dass solche Plumes für das Auseinanderbrechen der alten Superkontinente verantwortlich sind. So ist etwa der jetzige Hotspot Tristan da Cunha ein Überbleibsel von einem Plume, der vor 200 Millionen Jahren eine besonders hohe Förderleistung hatte und sich zudem genau unter Südamerika und Afrika befand (damals als Teil von Godwanaland zusammenhängend) Fragen Wir verzichten hier auf die Darstellung der wissenschaftlichen Kontroverse, die der Akzeptanz der Plattentektonik vorausging, und stellen nur 6 Fragen, die sich ohne Plattentektonik nicht (oder falsch) beantworten lassen. 1. Warum gibt es kontinentale Kruste mit jedem Alter < a, aber keine ozeanische Kruste mit Alter > a? 2. Indien war im Perm (vor a) vereist (wie Skandinavien in der letzten Eiszeit). Wie kann der Planet so stark abkühlen, dass es sogar am Äquator Eis gibt was passiert mit dem Leben? 1

2 3. Altersbestimmung indischer Basalte + Paläomagnetismus (Kap. 2.4 und 3.4): Indien hat sich in den letzten a um 9000 km von Süden zu seiner jetzigen Position ' bewegt '. Wie? 4. Zurück zur Seismologie: Aus dem zeitlichen Abstand zwischen P und S Wellen kann man die (horizontale) Herdentfernung bestimmen. Kann man auch die Tiefe des Epizentrums bestimmen? Ja, mit der Laufzeitdifferenz pp P. Ergebnis: Vertikalschnitt durch die Neuseeländischer Nordinsel: Die Verteilung der Hypozentren folgt Flächen, die mit Winkeln von in den Mantel abtauchen, den sogenannten ' Benioffzonen '. Warum? 5. Warum sind junge Gebirge länglich? 6. Warum sind einige Inselketten Kreisabschnitte? Von der Konvektion zur Subduktion Besonders der Befund aus Frage 3 (Bewegung Indiens, ca 9 cm/a) zeigt, dass im Erdmantel Konvektion mit Geschwindigkeiten von einigen cm/a auftreten. Das Bild vom ' Mantel als Flüssigkeit auf großen Zeitskalen ' (Kap 3 V) ist aber zu einfach, wenn auf der Flüssigkeit eine rigide (nicht-viskose) Schicht, die Lithosphäre (Kruste + oberster Mantel), liegt: 2

3 Konvektion führt zu Relativbewegungen einzelner Bestandteile der Lithosphäre, der sogenannten Lithosphärenplatten. Es gibt zwei Sorten von Lithosphäre: (ozeanische (d 30 km) und kontinentale (d km, je nach Alter) Die folgende Tabelle gibt zwei Arten von Relativbewegungen der Platten zueinander für drei verschiedene Kombinationen der beiden Lithosphärensorten an. ozean ozean ozean kontinent kontinent kontinent Rift mitteloz. Rücken, z.b. Atlantik Abkühlung durch Diffusion Lithosphären-Dicke ist Parabel Continental Breakup z.b. Kenia Rift Subduktion Inselbogen z.b. Aleuten (Subduktion auf Kugeloberfläche Antwort auf Frage 6) oz kont Gebirgsbildung z.b. Anden (Antw. Frage 5) Subduktion? Gebirgsbildung z.b. Himalaya Sind die Lithosphären-Platten nur passive ' Reiter ' auf der ' Flüssigkeit ', oder aktiv am Antrieb der Konvektion beteiligt (neben der Heizung von unten durch den Kern)? Antwort: quantitative Abschätzung der Kräfte, die auf die Platte wirken: P s gravitativer Zug der abtauchenden Platten infolge ihrer höheren Dichte [slab pull] P r Rückenschub der aus der Höhe h abgeleiteten Platte [ridge push] viskose Reibung an der Plattenbasis 3

4 P s P r? (Übung: Bestimme die Plattengeschwindigkeit wenn P P ) s r Subduktion, Vulkanismus und Erdbeben Bei der Subduktion ozeanischer Lithosphäre werden mit jungen, porösen See-Sedimenten große Mengen Wasser transportiert. Zwar wird der größte Teil davon unter dem Akkretionsprima wieder herausgequetscht, aber ein Teil des Wassers gelangt in 100 bis 150 km Tiefe und ist dort Mit-Ursache von Vulkanismus: Wasser verringert die Schmelztemperatur, bis diese etwa gleich der Temperatur in 100 km Tiefe ist. Partielle Schmelzen, Vulkanismus. Bei oz oz Subduktion ist diese Erscheinung für das Auftreten von Inselbögen ca km hinter der Subduktionsfront verantwortlich. Was kann die Subduktion noch alles in den Mantel transportieren? Auf einer (geologisch) ' kurzen ' Zeitskala von 100 a reagiert der Mantel wieder elastisch. In dieser Zeit hat die Subduktion eine Versetzung von einigen m (in einem Festkörper!!) aufgebaut, die nur durch ein Erdbeben abgebaut werden kann (Frage 4). Treten Erdbeben regelmäßig auf? ( Kap. 4.3) Die Plume-Hypothese Die meisten Vulkane auf der Erde sind durch Subduktion entstanden und befinden sich in unmittelbarer Nähe (max. 200 km) von Subduktionszonen verkürzt dargestellt transportiert die Subduktion u.a. junge ozeanische Sedimente in den Mantel, und das darin enthaltene Wasser verringert die Schmelztemperatur und macht Schmelzen wahrscheinlicher als anderswo. Es gibt aber auch (diese Zahl wird später diskutiert) Intraplattenvulkane, deren Entstehung nicht mit den bisher diskutierten Konvektionsmechanismen verknüpft zu sein scheint ein Musterbeispiel ist Hawaii. Die Lage dieser Vulkane korreliert keineswegs mit den Plattengrenzen, aber etwas mit langwelligen Geoidanomalien, die durch räumliche Temperaturvariationen im unteren Mantel entstehen. Die attraktivste Hypothese zur Entstehung dieser Intraplattenvulkane ist die von Wilson, dass sie Oberflächensignaturen von an der Kern-Mantelgrenze aufsteigenden Aufströmen verringerter Viskosität, sogenannter Plumes sind. Zur Unterscheidung von den echten Vulkanen wurden sie auch hotspots genannt. In den guten alten Zeiten (also bis etwa 1998) glaubten die meisten Geowissenschaftler, dass die Plumes fest an der Kern-Mantelgrenze kleben und die durch Konvektion verursachten Horizontalbewegungen nicht oder nur mit sehr viel geringerer Geschwindigkeit mitmachen; während die vertikale Geschwindigkeitskomponente des Plume-Materials wegen der verringerten Viskosität um eine Grössenordnung höher ist als die der Plattenbewegungen etwa 1m/a. Da wir an der 4

5 Erdoberfläche nicht die Kernmantelgrenze, sondern die sich bewegenden Platten sehen, bot die Vorstellung von den stationären Plumes die Möglichkeit, einen festen Bezugsrahmen, den hot spot reference frame zu definieren, relativ zu dem sich das Mantelmaterial und die Platten bewegen. Diskrepanzen zwischen den mit GPS relativ zu diesem hot spot reference frame bestimmten Bewegungsrichtungen der Platten und mit anderen geophysikalischen Methoden, welche direkt durch die Lithosphäre sehen können (Seismologie mit Oberflächenwellen, Elektromagnetische Tiefenforschung), bestimmten Richtungen haben seitdem dazu geführt, dass ein etwas anders definierter reference frame verwendet wird, bei dem alle Plattenbewegungen zusammen kein Netto-Drehmoment auf die Erde ausüben Antworten 1. Wenn wir die Abmessungen der größten, nämlich der pazifischen Platte mit den Plattengeschwindigkeit vergleichen, ergibt sich ein Alter von a. Alle ältere ozeanische Kruste ist bereits wieder subduziert worden. 2. Indien war damals in der Nähe des Südpols. 3. Infolge der Konvektion 4. Die Seismologie sieht hier eine Subduktionszone. 5. Diese Gebirge zeigen den Verlauf von aktiven Kontinentalrändern an, an denen ozeanische unter kontinentale Lithosphäre subduziert wird. 6. Subduktion auf einer Kugeloberfläche kann man sich am Beispiel eines eingedrückten Tischtennisballes klarmachen. 5