Plattentektonik 2
Plattentektonik 2
Plattentektonik 2
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ETH<br />
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich<br />
Swiss Federal Institute of Technology Zurich<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Plate Tectonics –<br />
Tectonics of lithosphere plates<br />
E. Kissling / G. Hetényi<br />
Lehrveranstaltung: Tektonik<br />
Prof. Dr. J.-P. Burg<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Dr. György Hetényi<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 1
Inhalt: Plattentektonische Strukturen und Kräfte<br />
Aufbau und Zustand der Erde<br />
Lithosphäre als Mehrschichtenfestkörper<br />
Zyklus der ozeanischen Lithosphäre<br />
Antriebsmechanismus der <strong>Plattentektonik</strong> (CONTINUED)<br />
Plattenränder und Kräfte an Lithosphärenplatten<br />
Wilson-Zyklus und kontinentale Gebirgsbildung<br />
Kinematik der Lithosphärenplatten<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 2
Kapitel 4<br />
Antriebsmechanismus der <strong>Plattentektonik</strong><br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 3
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Strömungen im Erdmantel (1)<br />
Anstelle der bisher angenommenen kontinuierlichen, grossräumig zirkulären und<br />
relativ zu den MOR symmetrischen Strömungszellen in weiten Bereichen des<br />
Erdmantels scheinen die Strömungen folgende Eigenschaften zu haben:<br />
a) grossräumige, langzeitliche, asymmetrisch, nicht-zirkulär,<br />
relativ kontinuierliche Strömungen<br />
Es handelt sich dabei um die sich bewegenden und subduzierenden<br />
ozeanischen Lithosphärenplatten (nicht aber die Kontinente!) sowie das<br />
dabei wegen der Reibung mitgezogene Mantelmaterial. Mit „Strömungen“ ist<br />
deshalb hier sowohl festes wie flüssiges Material gemeint. Diese<br />
Strömungen sind ausschliesslich horizontal entlang der<br />
Erdoberfläche* und subvertikal abwärts gerichtet.<br />
Bsp. Pazifische Platte: Entstehung am südostpazifischen Rücken aus<br />
lokalem Asthenosphären-Material, Auskühlen und<br />
Bewegung mit ca. 10cm/y gegen NW, Subduktion<br />
entlang den Tiefseegräben von Izu-Bonin bis<br />
Alaska.<br />
*stark beeinflusst von<br />
Oberflächenstrukturen &<br />
Oberflächenprozessen<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 4
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Strömungen im Erdmantel (2)<br />
⇒ Welche Rolle spielen die Hot Spots und Plumes?<br />
b) Kleinräumige (lokale), langzeitliche, kontinuerliche (oder in<br />
wiederholten Episoden), aufwärts gerichtete heisse Strömungen<br />
Diese Strömungen entstehen durch Instabilitäten als Folge von Wärmezufuhr entweder<br />
an der Kern-Mantel-Grenze oder an der 660-km Diskontinuität. Die Strömungen sind<br />
primär vertikal aufsteigend mit mehr oder weniger (lokalen) Wirbelströmungen und<br />
radialer Ausbreitung bei Erreichen der Unterkante der Lithosphäre. Beispiel…<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 5
Beispiel: Hot-spot Plume<br />
unter der Hawaii-<br />
Emperor Seamount<br />
Inselkette<br />
kleinräumig<br />
langzeitlich<br />
quasi-kontinuierlich<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Hot spot tracks<br />
~40Mio Jahre<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 6
Google Earth ©<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 7
Zeitliche Entwicklung eines Plumes<br />
Das aufsteigende Material<br />
„kümmert“ sich nicht um<br />
den zum Massenausgleich<br />
nötigen Gegenfluss!<br />
Im Gegenteil: Es reisst<br />
Nachbarmaterial mit!<br />
Die Strömungsentwicklung<br />
ist jedoch stark geprägt<br />
von der Interaktion des<br />
„Pilzkopfes“ mit der<br />
Lithosphäre!<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
a) b)<br />
c)<br />
Litho<br />
Litho<br />
d)<br />
CMB<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 8
Langfristige kontinuierliche Konvektionsströme<br />
in der Erde sind asymmetrisch und nicht-zirkular<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 9
Motor der <strong>Plattentektonik</strong>: Zusammenspiel in<br />
Raum und Zeit von 3 Arten von Mantelströmungen<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
(als Gesamtheit mit „Konvektion“ bezeichnet)<br />
ozean.<br />
Litho<br />
Hot Spots<br />
Plumes<br />
Grossräumige und kleinräumige (lokale),<br />
langfristige und kontinuierliche<br />
Mantelströmungen sind<br />
asymmetrisch und nicht-zirkulär.<br />
grossräumige episodenhafte Strömungen:<br />
Mega Plumes und Avalanches<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 10
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Strömungen im Erdmantel (3)<br />
c) grossräumige (evtl. auch nur grossräumiger Einfluss),<br />
episodenhafte Strömungen<br />
Dabei handelt es sich um Megaplumes (episodenhafte grosse Aufströmungen)<br />
und Avalanches (Lawinen, episodenhaftes Entleeren von subdiziertem Material,<br />
welches an der 660km Diskontinuität eine Weile hängen geblieben ist), welche<br />
in unregelmässigen Zeitabständen auftreten und das Strömungssystem im<br />
Mantel kurzfristig dominieren können.<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 11
Modellrechnungen zur Avalanche (slab-Lawine)<br />
Machetel & Weber 1991<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 12
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Megaplume<br />
(episodisch, grossräumig, nicht-zirkulär)<br />
Am Anfang eines Wilson-Zyklus dominieren die Megaplume-<br />
Effekte: → reissen Kontinente auf<br />
→ initiieren die Bildung neuer Ozeane (MOR)<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 13
3D-Modelle von Avalanches und Megaplumes<br />
Tackley 1993<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 14
3 Arten von Strömungen im Mantel<br />
1. grossräumig, langzeitlich<br />
2. kleinräumig (lokal), langzeitlich,<br />
manchmal in Episoden<br />
3. grossräumiger Einfluss, episodenhaft<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Kreation, Auskühlen,<br />
Subduktion von<br />
ozeanischen Platten<br />
Hot spot plumes<br />
Avalanches +<br />
Megaplumes<br />
Die erste Art von Mantelströmungen wird dominiert von Lithosphäreneffekten,<br />
die beiden anderen Arten entstehen unabhängig von Oberflächenstrukturen.<br />
Avalanches und megaplumes haben grossen Einfluss auf an der Erdoberfläche<br />
sichtbare plattentektonische Vorgänge. Sie können das vorherrschende<br />
plattentektonische Regime vollständig ändern, Kontinente aufreissen und<br />
neue Ozeane kreieren sowie neue Subduktionszonen initieren.<br />
Anschliessend überlassen sie das Feld wieder den von den Lithosphären<br />
dominierten Kräften (1) und lokalen Hot spots (2) (vgl. “ Intermittency” -<br />
Modell von Peltier).<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 15
Zyklus der ozean. Lithosphäre ist Mantelströmung<br />
Die ozeanischen Lithosphärenplatten selbst sind der bei<br />
weitem wichtigste Teil der Materialströmung entlang der<br />
Erdoberfläche und im (kalten) abtauchenden Strömungsbereich.<br />
Wie eine einfache Überschlagsrechnung zeigt, kommt den ozeanischen<br />
Lithosphärenplatten auch bei deren Entstehung, Auskühlung und<br />
Subduktion für die Gesamtwärmebilanz des Erdinnern eine entscheidende<br />
Bedeutung zu (ca. 60% des gesamten Wärmeflusses aus dem Erdinnern).<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
!<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 16
Dynamik der Erde: Motor der <strong>Plattentektonik</strong><br />
<strong>Plattentektonik</strong>: Tektonik der Lithosphärenplatten<br />
und Strömungen im<br />
Erdmantel<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Die Verbindung zwischen<br />
Mantelströmung und<br />
<strong>Plattentektonik</strong> ist nicht<br />
primär die (viskose)<br />
Reibung an der LAG<br />
sondern die ozeanische<br />
Lithosphäre selbst. Der<br />
Motor der <strong>Plattentektonik</strong><br />
ist das langfristige<br />
Zusammenspiel der 3<br />
Arten von Mantelströmungen.<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 17
Dynamik der Erde: Motor der <strong>Plattentektonik</strong><br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 18
Inhalt: Plattentektonische Strukturen und Kräfte<br />
Wie Aufbau reagiert und Zustand die der Lithosphäre Erde auf diese<br />
Kräfte (Tektonik der L-Platten)?<br />
Lithosphäre als Mehrschichtenfestkörper<br />
Wann Zyklus greifen der ozeanischen welche Lithosphäre Kräfte wo und wie<br />
Antriebsmechanismus der <strong>Plattentektonik</strong><br />
Plattenränder und Kräfte an Lithosphärenplatten<br />
Wilson-Zyklus und kontinentale Gebirgsbildung<br />
Kinematik der Lithosphärenplatten<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
an der Lithosphäre an?<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 19
Kapitel 5<br />
Plattenränder und Kräfte an Lithosphärenplatten<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
zunehmender Energiebedarf<br />
des Prozesses<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 20
Die Lithosphäre – in Platten zerbrochen<br />
Ozeanische und kontinentale Lithosphäre, z.T. in derselben Platte!<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 21
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Drei Arten von Plattengrenzen<br />
(= drei Arten von tektonischen Systemen)<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 22
F pu<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Kräfte an Platten(ränder)<br />
F su<br />
F rp<br />
+∆ρ<br />
+∆ρ<br />
F sp<br />
+∆ρ<br />
A. Subduktionszone<br />
F rp<br />
B. MOR<br />
F pu<br />
“Ridge push”<br />
=Abgleiten auf<br />
schiefer Ebene<br />
P-Ränder<br />
Platteninneres<br />
C. Grosse Erhebung (z.B. Tibet)<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 23
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Motor der <strong>Plattentektonik</strong> ?<br />
„Was treibt die Lithosphärenplatten an?“<br />
- Konvektion im Erdmantel als Folge von Aufbau und<br />
Zustand des Erdinnern<br />
- Slab pull (buoyancy) ist mit Abstand<br />
die wichtigste Kraft an der Lithosphäre<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 24
Kräfte an konstruktiven und konservativen<br />
Plattengrenzen (Reibung und Abgleiten)<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
ASA ⇒ Auskühlen,<br />
Schrumpfen,<br />
Absinken<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 25
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
ozean. -ozean.-Lithosphäre<br />
A Konstruktiver Plattenrand (1)<br />
[Rücken, Schwellen]<br />
1. Streifenmuster:<br />
Asthenosphäre<br />
ozeanische<br />
magnetische<br />
Anomalien<br />
Kruste<br />
Lithosphäre<br />
2. Seismizität: nur Flachherdbeben am Rücken<br />
Auseinanderbewegung (Herdlösung)<br />
3. Wärmefluss: deutlich höher als normal,<br />
bis 400 mW/m 2 am Rücken<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 26
A Konstruktiver Plattenrand (2)<br />
[Rücken, Schwellen]<br />
4. Schwere: positive Anomalie über Ozeanen ca. 300mGal<br />
wird durch relativ negative Anomalie auf<br />
ca. 150 mGal reduziert<br />
ρ = 2.8<br />
+300<br />
∆g<br />
0<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
ρ = 3.4<br />
Ozean M.A.R.<br />
ρ = 3.2<br />
2000km<br />
40km<br />
Bouguer Anomalie<br />
Material des oberen Erdmantels [Lithosphäre] unter dem<br />
Rücken hat geringere Dichte<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 27
Geschwindigkeit der Plattenauseinanderbewegung<br />
am<br />
konstruktiven Plattenrand<br />
„Sea-Floor-Spreading“ erfolgt im Nordatlantik langsam<br />
(1-2 cm/Jahr) und im Pazifik relativ schnell (5-10 cm/Jahr).<br />
300<br />
200<br />
100<br />
km<br />
Entfernung<br />
vom Rücken<br />
Der ozeanische Boden kann mit Hilfe<br />
der ozeanischen magnetischen<br />
Anomalien datiert werden.<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
x<br />
x<br />
0 1 2 3<br />
x<br />
x<br />
1 cm/Jahr<br />
Polarität<br />
Alter [106 Jahre]<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 28
ozean.-ozean.-L oder kont.-kont.-L<br />
B Konservativer Plattenrand<br />
[„Transform Fault“ versus<br />
Blattverschiebung]<br />
Vergleich mit gewöhnlicher Horizontalverschiebung<br />
Vgl. Erdbebentätigkeit! x<br />
x x x x x x x xx x<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
BRUCHZONE<br />
HORIZONTALVERSCHIEBUNG TRANSFORMIERENDE VERSCHIEBUNG<br />
→ ganze Bruchzone<br />
ist seismisch aktiv<br />
Normale Verwerfung<br />
(Bsp.SAF)<br />
MOR<br />
x<br />
MOR<br />
→ nur zentraler Teil<br />
ist seismisch aktiv<br />
An MOR<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 29
Nordanatolische Bruchzone =<br />
konservativer Plattenrand<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 30
C Destruktiver Plattenrand (1)<br />
[Subduktionszone]<br />
Kontinent vulkanischer Inselbogen<br />
marginaler Becken<br />
Tiefseegraben<br />
mit Sedimenten<br />
andesitischer Vulkanismus<br />
1. Seismizität in Benioff Zone<br />
2. Wärmefluss besonders gering in Tiefseegräben [∼1 HFU]<br />
[Einfluss der kalten abtauchenden Platte, auch der Sedimente]<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
20km mächtige<br />
Benioff Zone<br />
X<br />
X<br />
X<br />
X<br />
X<br />
X<br />
X X<br />
Asthenosphäre<br />
X = Seismische (Benioff) Zone<br />
Platten-Mächtigkeit<br />
ca. 100 km<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 31
C Destruktiver Plattenrand (2)<br />
[Subduktionszone]<br />
3. Schwere-Anomalie<br />
∆g<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
(+)<br />
(-)<br />
positiv wegen Dichte der kalten abtauchenden Platte<br />
negativ wegen Sedimente in Tiefseegraben<br />
600 o<br />
C<br />
1000 o<br />
C<br />
1200 o<br />
C<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 32
ozean -ozean-L oder ozean-kont-L oder kont-kont-L<br />
Drei Arten von destruktiven Plattengrenzen<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 33
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Kapitel 6<br />
Wilson Zyklus<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 34
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Wilson Zyklus<br />
Strukturen der passiven und aktiven Kontinentalränder!<br />
Der Wilson Zyklus verbindet Entstehen und Vergehen von ozeanischer<br />
Lithosphäre mit dem langsamen Wachsen der kontinentalen Lithosphäre:<br />
Frühere Ozeane sind zu über 99% subduziert worden, doch ein kleiner<br />
Rest ist in der kontinentalen Lithosphäre als Suturgürtel eingebaut<br />
worden.<br />
Suturen sind erkennbar an den Grüngesteinen!<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 35
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Wie Ozeane entstehen (1)<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 36
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Wie Ozeane entstehen (2)<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 37
Fast die gesamte ozeanische<br />
Lithosphäre wird subduziert, nur<br />
ein sehr geringer Teil gelangt in<br />
die Inselbögen oder Vulkangürtel<br />
(vgl. Subduction Factory)<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Wo Ozeane sterben<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 38
Appalachian orogenic belt:<br />
Story of the oceans between<br />
North-America and<br />
Europe/Africa<br />
(Ocean 2)<br />
(Iapetus Ocean)<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
(Iapetus Ocean)<br />
(Ocean 1)<br />
Pangea<br />
Opening of Atlantic<br />
185 My ago<br />
(Ocean 2)<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 39
Ausblick: wie reagiert die Lithosphäre in Kontinent-<br />
Kontinent-Kollision am Schluss eines Wilson Zyklus?<br />
3D Krustenstruktur der Alpen<br />
Unterkruste und Oberkruste!<br />
4 Traversen durch die Alpen<br />
Rheologie der Lithosphäre<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 40
Kapitel 7<br />
Kinematik der Lithosphärenplatten<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
zähflüssig<br />
How do the plates move<br />
along the surface of Earth?<br />
Lithosphäre – Mantel – Kern, Temperaturverteilung, abkühlende Erde<br />
als Wärmemaschine (thermische Grenzschicht und Konvektion)<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 41
Bewegungen der Lithosphären-Platten auf der Erde<br />
Kinematik von +/- rigiden Platten<br />
(analog Eisplatten im Nordmeer im Frühling)<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Rücken Y<br />
Transform<br />
-<br />
Verschiebung<br />
Platte<br />
B<br />
Rücken X<br />
Platte<br />
A<br />
L ITHOSPHÄ RE ASTHE NOSP HÄRE<br />
LITHOSPHÄRE<br />
MESOSPHÄRE<br />
Keine grössere Translation ohne Rotation!<br />
Zone<br />
Subduktions-<br />
Platte<br />
C<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 42
Sphärizität der Erde: Kreisbogen statt Geraden<br />
(selbst bei<br />
Annahme von<br />
rigiden Platten)<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Keine langdauernde<br />
Translation ohne<br />
Rotation!<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 43
Translating plates also rotate and plate<br />
boundaries are “circular”!<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Torsvik et al., 2008, Rev. Geophys., 46, RG3004, doi:<br />
10.1029/2007R000227; after Cox & Hart, 1968)<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 44
Komplexe Plattenränder zwischen zwei grossen Platten<br />
How did SAF system evolve?<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 45
Evolution of plate boundaries (and their tectonics)<br />
Type and geometry of plate boundary and relative<br />
plate movements determine evolution!<br />
Two-plate cases:<br />
- Dead Sea basin<br />
- San Bernardino Mtns. (SAF)<br />
Three-plate cases:<br />
- „Evolution of triple junctions“<br />
by McKenzie & Morgan, 1969<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 46
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Kinematik von rigiden Platten:<br />
Hodograph für Triple Junctions<br />
Relativbewegung von zwei<br />
(oben) und drei (rechts)<br />
Platten<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 47
TJ stabil:<br />
v AB+v BC+v CA=0<br />
(Vektoren kompensieren sich)<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Stabilität von Triple Junctions<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 48
Farallon-Platte und Entwicklung SAF<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 49
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
Stabile Mendocino Triple Junction<br />
(Achtung: stabil bedeutet nicht stationär relativ zu jeder Platte!)<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 50
Inhalt: Plattentektonische Strukturen und Kräfte<br />
Aufbau und Zustand der Erde<br />
Lithosphäre als Mehrschichtenfestkörper<br />
Zyklus der ozeanischen Lithosphäre<br />
Antriebsmechanismus der <strong>Plattentektonik</strong><br />
Plattenränder und Kräfte an Lithosphärenplatten<br />
Wilson-Zyklus und kontinentale Gebirgsbildung<br />
Kinematik der Lithosphärenplatten<br />
Prof. Dr. Eduard Kissling<br />
LV Tektonik Herbstsemester 2010__ 51
Change language