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 Prof. Dr. Eduard 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 Prof. Dr. Eduard Kissling

Plate movement reconstruction based on paleomagnetic data

Ma

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 3 Prof. Dr. Eduard Kissling

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

Prof. Dr. Eduard Kissling

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 Prof. Dr. Eduard Kissling

Kapitel 1 Aufbau und Zustand der Erde

zähflüssig

(1)

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 Prof. Dr. Eduard Kissling

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 Prof. Dr. Eduard Kissling

Aufbau und Zustand der Erde

fest zähflüssig

(3)

Dynamik des Erdmantels (oben) Dynamik des Erdkerns (unten)

flüssig

fest Festkörper sind nur die Lithosphäre und der innere Kern LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 8 Prof. Dr. Eduard Kissling

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

Kaltes Material sinkt ab flüssig

Primärer Prozess: fest Auskühlung des heissen Erdinnern durch Konvektion im Mantel 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 Prof. Dr. Eduard Kissling

Aufbau und Zustand der Erde

(4)

Ozeanische Lithosphäre besteht aus gefrorenem Mantel und wird laufend recycliert (subduziert) fest

flüssig flüssig

fest

Lithosphäre ist in einige Platten zerbrochen

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 10 Prof. Dr. Eduard Kissling

Kapitel 1

Lithosphäre

(1)

ozeanische und kontinentale Lithosphäre, oft zusammen in einer Platte! LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 11 Prof. Dr. Eduard Kissling

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 Prof. Dr. Eduard Kissling

Kapitel 2 Lithosphäre als Mehrschichten-Festkörper

(1)

System Lithosphäre-Asthenosphäre Continental lithosphere

Oceanic lithosphere

normal

MOR

cratonic

crust melt

5 km 10 km 30 km 40 km

mantle lithosphere 100 km

asthenosphere 200 km

densities (g/cm 3): crust -oceanic 2.90 -continental 2.85 mantle lithosphere 3.30 asthenosphere 3.25

Prof. Dr. Eduard Kissling

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

Prof. Dr. Eduard Kissling

Siehe auch LV Lithosphäre Kap. 2

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 14

Kapitel 2: die Erdkruste Mächtigkeit der Erdkruste

R  

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 15 Prof. Dr. Eduard Kissling

Krustenmächtigkeiten weltweit Mächtigkeit der Erdkruste

ozeanische, normale kontinentale und kratonische Kruste

USGS LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 16 Prof. Dr. Eduard Kissling

(„jungen“)

Aufbau der kontinentalen Kruste („normal“ ca. 30 km mächtig!) Nach Mueller 1977, vor allem aus Profilen im nördlichen Alpenvorland 4

6

8

VP

0 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

granitisch

10

Py

obere Kruste (incl. Sedimente)

+

+ + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + +

P*

20

untere Kruste

amphibolitisch 30 Z (km)

Pn ultramafisch (Peridotit, Eklogit)

Junge Sedimente xxx

Moho oberster Mantel

Granite

Granulite

Meso- Paläozoische Sedimente

Migmatite

Ultramafische Gesteine

Gneisse und Schiefer

Amphibolite

+++

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 17 Prof. Dr. Eduard Kissling

Seismische Lithosphären-Asthenosphären- Grenze (LAG) By surface wave and body wave seismic tomography

Kruste

oberer Mantel

‚LAG‘

LVL

Asthenosphäre 410km

unterer

Mantel

660km

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

Prof. Dr. Eduard Kissling

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 Prof. Dr. Eduard Kissling

Kontinentale Kruste sediments and volcanic rock

Vgl. Smith 1991

granitic batholith

5-8km

folded and metamorphosed basement

high-grade granitic crust

Entstehung: Wo? Wie? Subduktionszonen (subduction factory) + überall bei tektonischer Überarbeitung

high-grade granodioritic crust with intrusions

Mikrokontinent oder ehemaliger Inselbogen

30-35 km Moho

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 20 Prof. Dr. Eduard Kissling

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 Prof. Dr. Eduard Kissling

Beispiel Nordamerika: auch die Kruste von Kratonen ist bereits als Konglomerat aufgebaut

Was schliessen wir daraus?

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 22 Prof. Dr. Eduard Kissling

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 Prof. Dr. Eduard Kissling

Kapitel 2

Lithosphäre

(4)

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 24 Prof. Dr. Eduard Kissling

Aufbau und Isostasie der kontinentalen Lithosphäre

ρ topo

=2.67g/cm3

crustal root (2.85g/cm3)

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 25 Prof. Dr. Eduard Kissling

Aufbau und Isostasie der ozeanischen Lithosphäre

LV Tektonik Herbstsemester 2016__ 26 Prof. Dr. Eduard Kissling