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Konvektion im Erdmantel (II)

Konvektion im Erdmantel (II). Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam. Übersicht zur Vorlesung. Übergang zu einer kontinuumsmechanischen Beschreibung. Grundlagen der Mantelkonvektion (III). Grundlagen der Mantelkonvektion (III). Grundlagen der Mantelkonvektion (III).

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Konvektion im Erdmantel (II)

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Presentation Transcript

  1. Konvektion im Erdmantel (II) Institut für Geowissenschaften Universität Potsdam

  2. Übersicht zur Vorlesung

  3. Übergang zu einer kontinuumsmechanischen Beschreibung

  4. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  5. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  6. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  7. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  8. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  9. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  10. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  11. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  12. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  13. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  14. Grundlagen der Mantelkonvektion (III)

  15. Abschätzung von tektonischen Kräften „ridge-push“ vs. „slab-pull“ ~ 1013 Nm-1 ~ 1012 Nm-1

  16. Was passiert, wenn die Viskosität in der Erde mit der Tiefe abnimmt ?

  17. Was passiert, wenn die Viskosität in der Erde mit der Tiefe abnimmt ?

  18. Plattentektonik auf der Venus „stagnant lid“

  19. „stagnant lid“ „Lithosphäre“

  20. -> Kruste Was versteht man unter der „Lithosphäre“ ?

  21. Plate Motion Calculator http://www.unavco.org gelbe Vektoren: Nuvel-1A NNR Geschwindigkeiten violette Vektoren: GPS Geschwindigkeiten

  22. Plattentektonik Ozeane Kontinente 3 Typen von Plattengrenzen

  23. Ozeane

  24. Eigenschaften der ozeanische Lithosphäre • Kruste aus Teilschmelzen des oberen Mantels gebildet • Krustenmächtigkeit ~ 7 km an MOR • Mächtigkeit und Dichte nehmen mit dem Alter zu • enthält kaum radioaktive Elemente • Festigkeit Mantellithosphäre wird durch Olivin bestimmt • Mantellithosphäre enthält kaum Wasser

  25. Kontinente

  26. % Eigenschaften der kontinentalen Lithosphäre • Kruste hochdifferenziert • Moho in 30 - 50 km Tiefe • hoher Gehalt radioakt. Elemente • Gesamtmächtigkeit der Lithosphäre: 100 - 150 km

  27. Aufbau kontinentaler Kruste Die kontinentale Kruste besteht generell aus zwei Schichten (“layers”) • Obere Kruste (“granodiorite”) • Untere Kruste (“granulite”) i.e. basaltic composition • Begriffe werden oft unscharf verwendet, grosse Variabilität

  28. Begriff der „Tektosphäre“ Auswirkungen auf die Plattengrenzen • Konvergenz von ozeanischer Lithosphäre führt zu Subduktion oder Obduktion • Konvergenz von kontinentaler Lithosphäre führt zu Kollision

  29. } physikalisch Mögliche Charakterisierungen der Lithosphäre • seismisch • thermisch • mechanisch • chemisch

  30. Seismische Charakterisierung • an der Moho Anstieg der seismischen Wellen- geschwindigkeit auf ~ 8 km/s • Zunahme von vp mit der Tiefe ca. 0.01 km/sec pro km (vgl. „Birch‘s law“) • Untergrenze bildet Asthenosphäre als „low velocity zone“ (LVZ), seismische Wellen werden gedämpft

  31. MOHO Tiefe in Europa

  32. Vergleich zw. Kontinent - Ozean Fowler 1990

  33. Dämpfung seismischer Wellen „low velocity zone“ Condie 2005

  34. Seismizität: Intraplattenbeben Stein & Stein 1996

  35. Double Seismic Zone (DSZ) trench Abers 1996

  36. Double Seismic Zone (DSZ) Mögliche Ursachen • Spannungen mit gegensätzlichem Vorzeichen • Basalt -> Eklogit Transformation • duktile Instabilitäten

  37. Definition der Lithosphäre II Stein & Stein 1996

  38. Thermische Charakterisierung • Unterseite der Lithosphäre 1200 ˚C / 1300 ˚C Isotherme („lithosphere base temperature“) • dort Wechsel im Wärmetransportmechanismus: Konduktion (Lithosphäre) => Konvektion (Mantel) • thermische Struktur kontrolliert Wärmefluss, Dichte, Schwerefeld, seismische Geschwindigkeit & Dämpfung • Temperatur an der Moho variiert stark, je nach Tektonik 300 ˚C bis 800 ˚C möglich

  39. Ozeanische Lithosphäre als thermische Grenzschicht Stein & Stein 1996

  40. Vergleich von Abkühlungsmodellen thermal equilibrium at ~ 70 Myr. Stein & Stein 1996 HS - half space cooling model PSM - plate cooling model, Parsons, Sclater & McKenzie 1977 GDH1 - dünnere Lithosphäre mit höherer Basaltemperatur, Stein & Stein 1996

  41. Thermische Struktur der ozeanischen Lithosphäre GDH1 Modell Stein & Stein 1996

  42. Mechanische Charakterisierung • durch Rheologie der Gesteine • rigide Lithosphärenplatten • Berechnung der Biegesteifigkeit bzw. Flexurisostasie

  43. Schematische Darstellung der Festigkeit ozeanische vs. kontinentale Lithosphäre Kearey & Vine 1990

  44. Prinzip der Isostasie Zwischen den unterschiedlichen Krustentypen und Krustenmächtigkeiten muss oberhalb einer Kompensationstiefe ein mechanisches Gleichgewicht auf der geologischen Zeitskala herrschen (entsprechend dem „Archimedes Prinzip“).

  45. Es gibt 2 Möglichkeiten für den isostatischen Ausgleich

  46. The weight of all columns above the compensation depth are equal Higher mountains are compensated by deeper roots Pratt vs. Airy model

  47. Biegesteifigkeit / Flexurisostasie Aber: benachbarte lithosphärische Blöcke sind mechanisch (visko-elastisch) gekoppelt !

  48. Kopplung elastischer, spröder und viskoser Modelle Schematic diagram showing the bending stresses that develop in An elastic plate A plate whose strength is limited by brittle deformationin its upper part and ductileflow in its lower part Watts 2001

  49. Beispiel für zeitlichen Verlauf eines isostatischen Ausgleichs

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