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

Institut für Geologie I Bernhard-von-Cotta-Str. 2 I 09599 FreibergTel. 0 37 31/39-3813 I [email protected]

Institut für Geologie

Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen)

Blanka Sperner

2Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 07.07.08, Blanka Sperner

Wiederholung

Plattenbewegungen auf einer Kugel:

•Eulerpol (φ, λ, ω)

•Winkelgeschwindigkeit [°/Ma]

•Lineare Geschwindigkeit [km/Ma]

•Bewegungen zwischen drei Platten

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Triple junctions

Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 07.07.08, Blanka Sperner


Triple junctions

stabil

meist instabil

instabil


Relativbewegungen

Mittelozeanischer

Rücken

Subduktions-

zone

Seiten-

verschiebung


Stabil vs. instabil (1)

Plattentektonische

Konfiguration

Relative

Geschwindigkeiten

Geschwindigkeitslinien

(II Plattengrenzen)

Geschwindigkeitslinien werden bei Subduktionszonen an der Oberplatte fixiert

Stabile Triple junction:

Geschwindigkeitslinien treffen sich in einem Punkt

nicht

stabil !



Plattentektonische

Konfiguration


(II Plattengrenzen)

Geschwindigkeitslinien werden bei Subduktionszonen an der Oberplatte fixiert

Stabile Triple junction:

Geschwindigkeitslinien treffen sich in einem Punkt

nicht

stabil !


Plattentektonische

Konfiguration

Relative

Geschwindigkeiten


(II Plattengrenzen)

Geschwindigkeitslinien:•am MOR auf halber Strecke einzeichnen•bei Seitenverschiebungen: II Relativgeschwindigkeit


nicht stabil !


Übungen (4a)


Übungen (4b)

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Stressfeld

Grundlagen der Geodynamik und Tektonik (Übungen), 07.07.08, Blanka Sperner


World Stress Map (WSM)


Spannungsindikatoren (1)

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



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

• Bohrlochdaten:• Breakouts (BO):




• Bohrlochdaten:• Breakouts (BO)• Drilling-induced fractures (DIF)




• Bohrlochdaten:• Breakouts (BO)• Drilling-induced fractures (DIF)• Overcoring data (OC)• Hydro-Fracture data (HF)

• Erdbeben (Focal mechanisms, FM)


Erdbebenverteilung


Plattenränder

konvergent:Subduktionszonen,

Kollisionszonen(Anden, Alpen)

konservativ:Transformstörungen

(San-Andreas-Störung)

divergent:mittelozean. Rücken,

kont. Riftingzonen(Atlantik, Ostafrika)


Spannungsregime

SH,h: maximale / minimale horizontale Kompression

SV: vertikale Stressachse

σ1 vertikal (SV) σ2 vertikal (SV) σ3 vertikal (SV)

σ1, σ2, σ3: Hauptspannungsachsen (σ1 ≥ σ2 ≥ σ3)

σ2: SH

σ3: Sh

σ1: SH

σ3: Sh

σ1: SH

σ2: Sh


Plattenkräfte


Gravitative Spannungen (1)

H2O (1000 kg/m3)

Kruste (2900 kg/m3)

lith. Mantel (3300 kg/m3)

σzz

Tiefeσzz = Σ(ρ·g·h)

KontinentOzean

σzz: vertikale Normalspannung


Gravitative Spannungen (2)


σzz

Tiefe

Kompression Extension

GravitativerKollaps

H2O (1000 kg/m3)

Kruste (2900 kg/m3)


GPE: Gravitational Potential Energy


Modellierung gravitativer Spannungen

Modellgeometrie

resultierende Spannungen

H Ext. Kompr.

1 km 6 MPa 3 MPa

3 km 22 MPa 12 MPa

Extension Kompression

(Bada et al., 2001)

(1 bzw. 3 km)

Kräfte aufgrund unterschiedlicher potentieller Energie


Plattenkräfte


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)


Kompression

Extension

H2O (1000 kg/m3)


Asthenosphäre (3200 kg/m3)

σzz

Tiefe


Ridge push

Ridge push nimmt mit zunehmendem Abstand vom Rücken zu


Slab pull & Abtauchwiderstand

Bebenmechanismen

Dehnung parallel zum Slab

Kompression parallel zum Slab


Biegespannungen

oben: Extension unten: Kompression

Biege -spannung


Flexur durch Seamount

(Watts, A.B., 2001: Isostasy and flexure of the lithosphere.)

Hawaii-Inseln


Membranspannungen

Längenänderung bei Absenkungwegen Erdkrümmung

→ erst Kompression,dann Extension


Plattenrandreibung


Kollision bzw. Extension in Oberplatte

retreating subduction zone(low-stress subduction zone, slab rollback)

advancing subduction zone(high-stress subduction zone)


Mantelkonvektion

Mantelkonvektion zieht Platte hinter sich her


Plattenrandkräfte

Plattenbewegung zieht Mantel hinter sich her


Plattentektonische Konzepte

Hauptantriebskräfte: Plattenrandkräfte

(slab pull, ridge push)

Hauptantriebskraft:Mantelkonvektion


Ursachen tektonischer Spannungen

Ursache

Maßstab

laterale

Dichte-

kontraste

Topographie

laterale

Temperatur-

kontraste

flächige

Strukturen

plattenweit(100er -

1000er km)

Slab pull, Ridge push, Mantle flow

Kollisions-Subduktions-

SystemSlab / Mantel Plattenränder

regional

(100er km)Kontinental-

rand

Orogen, Kontinenal-

rand

Plumes Störungszonen

lokal

(10er km)Salzstöcke,

etc.Berge/Täler Vulkane

einzelne Störung

Biegespannungen, Membranspannungen


Plattenkräfte

Ps = 15.7·1012 N/m

H = 400 km

D = 80 km

Δρ = ρLith - ρAsth

ρLith = 3300 kg/m3

ρAsth = 3250 kg/m3

g = 9.81 m/s2

h = 3 km

D = 80 km

ρ* = ρLith - ρH2O

ρLith = 3300 kg/m3

ρH2O = 1000 kg/m3

g = 9.81 m/s2

Pr = 5.4·1012 N/m

Ps : Pr = 3 : 1

Slab pull = 3x Ridge push


Übungsaufgaben

• Charakterisierung des regionalen Stressfeldes:• Orientierung• Stress regime

• Wodurch wird es verursacht?


Mitteleuropa


Mitteleuropa

Ridge push im N-Atlantik

Kollision Afrika - Eurasia


Südamerika


Südamerika

Biegespannungen

im abtauchenden Slab

Gravitativer Kollaps in den

Höhenlagen der Anden

Kollisionsstrukturen

am Fuß der Anden


Aleutenbogen


Aleutenbogen

Biegespannungen

im abtauchenden Slab

Kollision

Kollision


Tibet-Plateau


Kollision & laterale Extrusion in Tibet

(Moores, E.M. & Twiss, R.J., 1995: Tectonics.)(Tapponnier et al., 1982)


Kollision & laterale Extrusion in Tibet

(Moores, E.M. & Twiss, R.J., 1995: Tectonics.)


San-Andreas-Störung


San-Andreas-Störung

Strike-slip-Bewegung zwischen

Pazifik und N-Amerika


Zusammenfassung

Triple junctions: stabil vs. instabil

Stressfeld:• Spannungsindikatoren

(geologische, Bohrlochdaten, Erdbeben)

• Spannungsregime• gravitative Spannungen• Plattenkräfte

(slab pull, ridge push, mantle drag, Biegespannungen, Membran-

spannungen, Reibungskräfte, Kollision, Backarc-Extension)

• Beispiele für regionale Spannungsfelder(Mitteleuropa, Südamerika, Aleutenbogen, Tibet-Plateau,

San-Andreas-Störung)

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