Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I 09599 Freiberg

1. Institut für Geologie Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen) Blanka Sperner Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I 09599 Freiberg Tel. 0 37 31/39-3813 I blanka.sperner@geo.tu-freiberg.de

2. Wiederholung • Plattenbewegungen auf einer Kugel: • Eulerpol (φ, λ, ω) • Winkelgeschwindigkeit [°/Ma] • Lineare Geschwindigkeit [km/Ma] • Bewegungen zwischen drei Platten 2

3. Triple junctions 3

4. Triple junctions stabil meist instabil instabil 4

5. Relativbewegungen Mittelozeanischer Rücken Subduktions- zone Seiten- verschiebung 5

6. Stabil vs. instabil (1) Stabile Triple junction: Geschwindigkeitslinien treffen sich in einem Punkt nicht stabil ! Relative Geschwindigkeiten Geschwindigkeitslinien (II Plattengrenzen) Plattentektonische Konfiguration Geschwindigkeitslinien werden bei Subduktionszonen an der Oberplatte fixiert 6

7. Stabil vs. instabil (1) Stabile Triple junction: Geschwindigkeitslinien treffen sich in einem Punkt nicht stabil ! Geschwindigkeitslinien (II Plattengrenzen) Plattentektonische Konfiguration Geschwindigkeitslinien werden bei Subduktionszonen an der Oberplatte fixiert 7

8. Stabil vs. instabil (2) Relative Geschwindigkeiten Geschwindigkeitslinien (II Plattengrenzen) Plattentektonische Konfiguration nicht stabil ! • Geschwindigkeitslinien: • am MOR auf halber Strecke einzeichnen • bei Seitenverschiebungen: II Relativgeschwindigkeit 8

9. Übungen (4a) 9

10. Übungen (4a) 10

11. Übungen (4b) 11

12. Übungen (4b) 12

13. Stressfeld 13

14. World Stress Map (WSM) 14

15. Spannungsindikatoren (1) • Geologische Indikatoren (aus quartären Gesteinen): • Volcanic vent alignments (GVA) • Fault-slip data (GF): 15

16. Spannungsindikatoren (2) • Geologische Indikatoren (aus quartären Gesteinen): • Volcanic vent alignments (GVA) • Fault-slip data (GF) • Bohrlochdaten: • Breakouts (BO): 16

17. Spannungsindikatoren (3) • Geologische Indikatoren (aus quartären Gesteinen): • Volcanic vent alignments (GVA) • Fault-slip data (GF) • Bohrlochdaten: • Breakouts (BO) • Drilling-induced fractures (DIF) 17

18. Spannungsindikatoren (4) • Geologische Indikatoren (aus quartären Gesteinen): • Volcanic vent alignments (GVA) • Fault-slip data (GF) • Bohrlochdaten: • Breakouts (BO) • Drilling-induced fractures (DIF) • Overcoring data (OC) • Hydro-Fracture data (HF) • Erdbeben(Focal mechanisms, FM) 18

19. Erdbebenverteilung 19

20. Plattenränder konvergent: Subduktionszonen, Kollisionszonen (Anden, Alpen) divergent: mittelozean. Rücken, kont. Riftingzonen (Atlantik, Ostafrika) konservativ: Transformstörungen (San-Andreas-Störung) 20

21. Spannungsregime σ1 vertikal (SV) σ2 vertikal (SV) σ3 vertikal (SV) σ2: SH σ3: Sh σ1: SH σ3: Sh σ1: SH σ2: Sh SH,h: maximale / minimale horizontale Kompression SV: vertikale Stressachse σ1, σ2, σ3: Hauptspannungsachsen (σ1 ≥ σ2 ≥ σ3) 21

22. Plattenkräfte 22

23. Gravitative Spannungen (1) Ozean Kontinent σzz H2O (1000 kg/m3) Kruste (2900 kg/m3) lith. Mantel (3300 kg/m3) Tiefe σzz = Σ(ρ·g·h) σzz: vertikale Normalspannung 23

24. Kompression Extension Gravitativer Kollaps Gravitative Spannungen (2) GPE: Gravitational Potential Energy σzz H2O (1000 kg/m3) Kruste (2900 kg/m3) lith. Mantel (3300 kg/m3) Tiefe σzz: vertikale Normalspannung 24

25. Kräfte aufgrund unterschiedlicher potentieller Energie Extension Kompression (Bada et al., 2001) Modellierung gravitativer Spannungen (1 bzw. 3 km) Modellgeometrie resultierende Spannungen 25

26. Plattenkräfte 26

27. Slab pull Ursache: Dichteunterschiede zwischen subduzierender Platte und umgebendem Mantel Wirkung: - Zugspannungen (Slab & ozean. Platte)- Biegespannungen (Kompression & Extension)- Scherspannungen am Plattenkontakt- Spannungen in Oberplatte (high-stress, low-stress)- Mitschleppen des umgebenden Mantel (Mantle flow) 27

28. Ridge push σzz Extension H2O (1000 kg/m3) Kompression lith. Mantel (3300 kg/m3) Asthenosphäre (3200 kg/m3) Tiefe σzz: vertikale Normalspannung Ridge push nimmt mit zunehmendem Abstand vom Rücken zu 28

29. Bebenmechanismen Dehnung parallel zum Slab Kompression parallel zum Slab Slab pull & Abtauchwiderstand 29

30. Biegespannungen oben: Extension unten: Kompression spannung Biege - 30

31. Flexur durch Seamount Hawaii-Inseln (Watts, A.B., 2001: Isostasy and flexure of the lithosphere.) 31

32. Längenänderung bei Absenkung wegen Erdkrümmung → erst Kompression, dann Extension Membranspannungen 32

33. Plattenrandreibung 33

34. advancing subduction zone (high-stress subduction zone) retreating subduction zone (low-stress subduction zone, slab rollback) Kollision bzw. Extension in Oberplatte 34

35. Mantelkonvektion Mantelkonvektion zieht Platte hinter sich her 35

36. Plattenrandkräfte Plattenbewegung zieht Mantel hinter sich her 36

37. Hauptantriebskraft: Mantelkonvektion Plattentektonische Konzepte Hauptantriebskräfte: Plattenrandkräfte (slab pull, ridge push) 37

38. Ursachen tektonischer Spannungen Biegespannungen, Membranspannungen 38

39. Plattenkräfte h = 3 km D = 80 km ρ* = ρLith - ρH2O ρLith = 3300 kg/m3 ρH2O = 1000 kg/m3 g = 9.81 m/s2 H = 400 km D = 80 km Δρ = ρLith - ρAsth ρLith = 3300 kg/m3 ρAsth = 3250 kg/m3 g = 9.81 m/s2 Ps = 15.7·1012 N/m Pr = 5.4·1012 N/m Ps : Pr = 3 : 1 Slab pull = 3x Ridge push 39

40. Übungsaufgaben • Charakterisierung des regionalen Stressfeldes: • Orientierung • Stress regime • Wodurch wird es verursacht? 40

41. Mitteleuropa 41

42. Mitteleuropa Ridge push im N-Atlantik Kollision Afrika - Eurasia 42

43. Südamerika 43

44. Südamerika Gravitativer Kollaps in den Höhenlagen der Anden Kollisionsstrukturen am Fuß der Anden Biegespannungen im abtauchenden Slab 44

45. Aleutenbogen 45

46. Aleutenbogen Kollision Kollision Biegespannungen im abtauchenden Slab 46

47. Tibet-Plateau 47

48. (Tapponnier et al., 1982) (Moores, E.M. & Twiss, R.J., 1995: Tectonics.) Kollision & laterale Extrusion in Tibet 48

49. (Moores, E.M. & Twiss, R.J., 1995: Tectonics.) Kollision & laterale Extrusion in Tibet 49

50. San-Andreas-Störung 50