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 LV Tektonik Herbstsemester 2016 1
Wegener s continental drift When reassembled, continental crust contains: - matching rock units - fossil record (+glaciation record) LV Tektonik Herbstsemester 2016 2
Plate movement reconstruction based on paleomagnetic data Ma LV Tektonik Herbstsemester 2016 3
* * * * Von Kontinentaldrift zur Plattentektonik!Lithosphäre 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.! Kräfte! Antrieb der Plattentektonik? Wann greifen welche Kräfte wo und wie an der Lithosphäre an? LV Tektonik Herbstsemester 2016 4
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 2016 5
Kapitel 1 Aufbau und Zustand der Erde (1) zähflüssig Ziel: Verständnis, warum es Plattentektonik und Mantelkonvektion gibt Lithosphäre Mantel Kern, Temperaturverteilung, abkühlende Erde als Wärmemaschine (thermische Grenzschicht und Konvektion) LV Tektonik Herbstsemester 2016 6
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 2016 7
Aufbau und Zustand der Erde (3) zähflüssig fest Dynamik des Erdmantels (oben) Dynamik des Erdkerns (unten) flüssig fest Festkörper sind nur die Lithosphäre und der innere Kern LV Tektonik Herbstsemester 2016 8
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 flüssig Kaltes Material sinkt ab Primärer Prozess: Auskühlung des heissen Erdinnern durch Konvektion im Mantel fest 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 2016 9
Aufbau und Zustand der Erde (4) flüssig fest Ozeanische Lithosphäre besteht aus gefrorenem Mantel und wird laufend recycliert (subduziert) flüssig fest Lithosphäre ist in einige Platten zerbrochen LV Tektonik Herbstsemester 2016 10
Kapitel 1 Lithosphäre (1) ozeanische und kontinentale Lithosphäre, ft zusammen in einer Platte! LV Tektonik Herbstsemester 2016 11
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 2016 12
Kapitel 2 Lithosphäre als Mehrschichten-Festkörper (1) System Lithosphäre-Asthenosphäre Oceanic lithosphere MOR melt Continental lithosphere normal cratonic crust mantle lithosphere 5 km 10 km 30 km 40 km 100 km asthenosphere 200 km densities (g/cm 3): crust -oceanic 2.90 -continental 2.85 mantle lithosphere 3.30 asthenosphere 3.25 Siehe auch LV Lithosphäre Kap. 2 LV Tektonik Herbstsemester 2016 13
Kapitel 2 Lithosphäre als Mehrschichten-Festkörper (2) Aufbau ozeanischer und kontinentaler Lithosphäre Entscheidend ist die Art der Kruste! Europäische Geotraverse Siehe auch LV Lithosphäre Kap. 2 LV Tektonik Herbstsemester 2016 14
Kapitel 2: die Erdkruste Mächtigkeit der Erdkruste R LV Tektonik Herbstsemester 2016 15
Mächtigkeit Krustenmächtigkeiten der Erdkruste weltweit ozeanische, normale kontinentale und kratonische Kruste USGS LV Tektonik Herbstsemester 2016 16
( jungen ) Aufbau der kontinentalen Kruste ( normal ca. 30 km mächtig!) Nach Mueller 1977, vor allem aus Profilen im nördlichen Alpenvorland 4 6 8 V P 0 granitisch 10 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 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P y obere Kruste (incl. Sedimente) amphibolitisch 20 P* untere Kruste 30 Z (km) ultramafisch (Peridotit, Eklogit) P n Moho oberster Mantel Junge Sedimente + + + Granite Granulite Meso- Paläozoische Sedimente Migmatite Ultramafische Gesteine x x x Gneisse und Schiefer Amphibolite LV Tektonik Herbstsemester 2016 17
Seismische Lithosphären-Asthenosphären- Grenze (LAG) By surface wave and body wave seismic tomography oberer Mantel Kruste LAG Asthenosphäre 410km 660km LVL unterer Mantel 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 2016 18
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 2016 19
Kontinentale Kruste sediments and volcanic rock Entstehung: Wo? Wie? Vgl. Smith 1991 5-8km granitic batholith folded and metamorphosed basement high-grade granitic crust high-grade granodioritic crust with intrusions Subduktionszonen (subduction factory) + überall bei tektonischer Überarbeitung Mikrokontinent oder ehemaliger Inselbogen 30-35 km Moho LV Tektonik Herbstsemester 2016 20
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 2016 21
Beispiel Nordamerika: auch die Kruste von Kratonen ist bereits als Konglomerat aufgebaut Was schliessen wir daraus? LV Tektonik Herbstsemester 2016 22
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 2016 23
Kapitel 2 Lithosphäre (4) LV Tektonik Herbstsemester 2016 24
Aufbau und Isostasie der kontinentalen Lithosphäre ρ topo =2.67g/cm 3 crustal root (2.85g/cm 3 ) LV Tektonik Herbstsemester 2016 25
Aufbau und Isostasie der ozeanischen Lithosphäre LV Tektonik Herbstsemester 2016 26