ERDSYSTEME
1. PLATTENTEKTONIK I 2. ERDMAGNETISMUS 3. ERDBEBEN I
4. ERDBEBEN II
5. AUFBAU DER ERDE
6. PLATTENTEKTONIK II 7. DIE KONTINENTEN
BUCH
PRESS, F. UND SIEVER, R., 2003 ALLGEMEINE GEOLOGIE
SPEKTRUM AKADEMISCHER VERLAG
HEIDELBERG
PLATTENTEKTONIK I
DIE GEOSPHÄRE
Die feste Erde oder Geosphäre bildet etwa 99,98% der totalen Erdmasse und beinhaltet:
(a) die oberflächennahen Sedimente und Böden - sie sind eine kritische Komponente für das Überleben der Biosphäre, da sie:
(i) die meisten Trinkwasserreserven speichern, (ii) Rohstoffe für die Bauindustrie liefern,
(iii) das Wachstunglebenswichtiger Nährstoffe ermöglichen,
(iv) Lagerplätze für Mülldeponien darstellen (A1);
(b) die tieferen Sedimentgesteine, die unsere Öl- und Gas- Reserven speichern (A2);
(c) die kristallinen Gesteine, welche wichtige mineralische Rohrstoffe und Erze enthalten;
(d) die tieferen Bereiche der Erde, welche die nötige Energie für vulkanische Eruptionen und Erdbebenaktivitäten liefern (A3);
(e) die tiefsten Bereiche der Erde - hier entsteht das Erdmagnetfeld, das als wichtige Barriere gegen gefährliche kosmische Strahlungen wirkt und so das Leben auf der Erde schützt.
ZUSAMMENSETZUNG DER ERDE
(a), (b) und (c): Die Kruste ist unter Ozeanen 5 - 10 km und unter Kontinenten 30 - 70 km dick. Sie ist reich an Silikaten.
Die Untergrenze der Kruste, die Krusten-Mantel Grenze, wird Mohorovicic-Diskontinuität oder einfach MOHO genannt(A4 - links).
(d): Der Mantel erstreckt sich von der Krustenuntergrenze bis in eine Tiefe von ca. 2900 km. Er enthält eisen- und magnesiumreiche Silikate, deren Kristallstrukturen mit zunehmender Tiefer immer dichter gepackt werden. Die Untergrenze ist als Kern-Mantel-Grenze oder Gutenberg- Diskontinuität bekannt.
(e): Der Erdkern beginnt unmittelbar unter dem Mantel und endet im Mittelpunkt der Erde in 6371 km Tiefe.
Höchstwahrscheinlich besteht er aus einer Eisen-Nickel- Schwefel-Legierung.
RHEOLOGIE DER ERDE
Die Rheologie ist ein Mass für die Fliessfähigkeit und Deformierbarkeit eines Materials. Die rheologischen Verhältnisse bestimmen das mechanische Verhalten in den verschiedenen Erdschichten.
Die wichtigsten rheologischen Einheiten sind:
(a) Die Lithosphäre ist der äusserste steife Teil der Erde. Sie beinhaltet die Kruste und den oberen Mantel, der stark mit der Kruste verbunden ist. Die Untergrenze der Lithosphäre liegt höchstwahrscheinlich in einer Tiefe von 70 bis 80 km unter Ozeanen und 100 bis 150 km unter Kontinenten. Die Lithosphäre ist in verschiedene Blöcke oder Platten unterteilt (Lithosphärenplatten). Sie bewegen sich relativ zueinander.
Die Lithosphäre ist recht heterogen (A4 - rechts).
(b) Die Asthenosphäre erstreckt sich von der Untergrenze der Lithosphäre bis in eine Tiefe von 200-700 km. Man vermutet, dass diese Region partiell aufgeschmolzen ist und dass Konvektion auftreten kann.
(c) Die Mesosphäre beinhaltet den restlichen Mantel unter der Asthenosphäre bis zur Kern-Mantel Grenze. Sie ist bemerkenswert homogen.
(d) Der äussere Kern ist flüssig und erstreckt bis in eine Tiefe von 5150 km. Hier entsteht vermutlich das Erdmagnetfeld.
(e) Der innere Kern ist wiederum fest und bildet den innersten Teil der Erde.
PLATTENTEKTONIK
Entwicklung der Plattentektonik
Die Theorie der Plattentektonik wurde aus den Ergebnissen von Beobachtungen der Erde während der letzten 200 Jahre entwickelt (manche Beobachtungen wurden sogar früher gemacht – z.B. der parallele Verlauf der Kontinentalränder auf beiden Seiten des Atlantiks). Aber erst in den frühen 70er Jahren begann man die Theorie in Wissenschaftskreisen zu akzeptieren.
Die Theorie der Plattentektonik wurde aus folgenden Hypothesen und Beobachtungen abgeleitet:
Der Kontinentaldrift (Wegener, 1912) (A5)
(Begründung: korrespondierende Küstenverläufe und Geologien beidseits des Atlantiks und direkte Beobachtungen von Eisblöcken im nördlichen Eismeer)
Dem “Seafloor Spreading” (Holmes, 1928; Dietz, 1961, Hess, 1962) (A6)
Dem Konzept von starren Platten - Plattentektonik (Tuzo Wilson, 1965; McKenzie and Parker, 1967; Morgan, 1968; McKenzie and Morgan, 1969) (A7)
Grundlagen
Die Lithosphäre und die Asthenosphäre spielen für die Plattentektonik eine sehr wichtige Rolle. Die Lithosphäre ist die feste äussere Schale, welche auf der schwächeren, partiell aufgeschmolzenen Asthenosphäre schwimmt (A8).
Es gibt 12 grosse und eine Vielzahl von kleinen Lithosphärenplatten. In grober Näherung können die Platten als starr angenommen werden. Jede Platte bewegt sich als eine Einheit (A9).
Viele grossräumige geologische Merkmale sind mit den Grenzen zwischen den tektonischen Platten verbunden.
Die meisten tektonischen (vertikale und horizontale Deformationen, Entstehung von Gebirgsketten, Erdbeben, Ursprung von Tsunamis) und magmatischen Aktivitäten (Vulkanausbrüche) treten entlang der Plattenränder auf. Diese tektonischen und magmatischen Aktivitäten sind das Ergebnis von Relativbewegungen zwischen den Platten und von den treibenden Kräften der Plattenbewegungen (A10-A12).
Grundlagen
Tektonische Aktivitäten und Vulkanismus gibt es auch oberhalb von sogenannten „Hot Spots“ (heisse Flecken) (A12-A13).
Unter „Hot Spots” steigen Diapire („Plumes“) aus heissem Mantelmaterial entlang schmaler Kanäle aus dem tieferen Erdinneren auf. Die Beziehung zwischen Manteldiapiren und Konvektionszellen wird immer noch erforscht.
Die Plattenbewegung wird durch grosse Konvektionszellen im Erdmantel angetrieben.
Radioaktive Elemente und Restwärme (herrührend aus der Zeit der Erdentstehung) sind die hierfür verantwortlichen Energiequellen (A14).
Nur geringe tektonische und vulkanische Aktivitäten gibt es weiter entfernt von den Plattengrenzen und "Hot Spots" (A15).
Eigenschaften der Erde, die durch die Plattentektonik erklärt werden können
Korrespondierende Küstenverläufe und Geologien (einschliesslich der Paläontologie) beidseits der Ozeane, insbesondere im Atlantik
Die Topographie der Kontinente und der Meeresböden
Alter von Gesteinen auf den Kontinenten, unterhalb der Meeresböden und auf den ozeanischen Inseln
Paläomagnetische Beobachtungen – Magnetische Aufzeichnungen auf den Kontinenten und ozeanischen Inseln
Magnetische Anomalien auf den Meeresböden – Magnetische Aufzeichnungen auf den Meeresböden
Verteilung des Wärmesflusses unterhalb der Ozeane
Das Schwerefeld der Erde
Eigenschaften der Erde, die durch die Plattentektonik erklärt werden können
Die Verteilung der Erdbebenhäufigkeit
Die Richtungen der Plattenbewegungen, bestimmt aus Erdbebenaufzeichnungen
Die Bewegung der Kontinente, abgeschätzt aus moderenen Satellitenmessungen
Verteilung der Vulkane und Art und Abfolge von Magmen in den verschiedenen vulkanischen Regionen
Geologie (d.h. Zusammensetzung und Aufbau) der ozeanischen und kontinentalen Lithosphäre (d.h. die Kruste und der obere Mantel)
Die Geologie entlang der Plattengrenzen - Faltengebirge, gefaltete und geschieferte Gesteine
Verteilung vieler Öl-, Gas- und Erzverkommen auf der Erde
1912-1915
Wegener (D) stellt die Hypothese der Kontinentaldrift auf.
Sie basiert auf der Korrelation der
Küstenverläufe und Geologien
1929
Holmes (U.K.) schlägt Mantel- konvektionen und eine Form des
Seafloor Spreading vor (inklusive
divergente und konvergente
Plattenbewegungen)
1946-1950
Wissenschaftler untersuchten den Meeresgrund mit Echoloten, Magneto- metern und seis- mischen Methoden
1959
Heezen & Tharp (U.S.A): Erste detaillerte topo- graphische Karten der Ozeanböden, die den Verlauf der Grabensysteme am mittelozeanischen Rücken zeigen
1955-56
Blackett, Irving und Runcorn (U.K.):
Ergebnisse aus paläomagnetischen Messungen an
Gesteinen stützen die Kontinentaldrift Hypothese
1961-1962
Hess und Dietz
(U.S.A) schlagen die Seafloor Spreading Hypothese vor
1954
Benioff (U.S.A) beschreibt die abtauchenden Zonen von tiefen Erdbeben unterhalb von Tiefseegräben und Inselbögen
1963
Cox, Doell und Dalrymple (U.S.A.) messen magnet- ische Feldum- kehrungen an Magmen von Kontinenten und ozeanischen Inseln
1963
Vine, Matthews (U.K.) und Morley (Can) erklären die ozeanischen
magnetischen An- omalien mit dem Seafloor Spreading und magnetischen Feldumkehrungen
1965
Tuzo-Wilson (Can) erklärt anhand von Transformstörung an mittel-
ozeanischen Rücken und führt das
Konzept von starren Platten ein
1966-1968
Opdyke, Pitman und Hiertzler (U.S.A.) bestimmen magne- tische Anomalien und Krustenalter verteilt über alle Ozeane
1968....
Altersbestimmung an Bohrkernen be- stätigen die Hypo- these des Seafloor Spreading und erklären magne- tische Anomalien
1969-72
Dewey (U.K.), Bird (U.S.A.) und Atwater (U.S.A.) zeigen, dass die Plattentektonik die jungen Anteile der Geologie auf den Kontinenten erklären kann
1968
Oliver, Sykes und Isaacs (U.S.A.) zeigen, wie Epizent- ren und Erdbeben- mechanismen anhand der
Plattentektonik er- klärt werden können
1980s
Untersuchungen weisen darauf hin, dass auch die sehr alten Anteile von der kontinentalen
Geologie anhand der Plattentektonik
erklärt werden können
1967-69
Tuzo-Wilson (Can), McKenzie, Parker (U.K.), Morgan U.S.A.) und
LePichon (F) führen die Plattentektonik ein
1990....
Seismische Tomographie ermöglicht es,
Konvektionsmuster im Erdmantel, die die Plattentektonik antreiben, zu
skizzieren
1990....
Mit Hilfe von Satel- litenbeobachtungen können die Relativ- bewegungen der Platten gemessen werden
Übergangs-Kruste
Nicht alle Gegenden, die unter Wasser liegen, sind geologisch gesehen ozeanischer Natur: die Seen, die Flüsse und das meiste Gebiet an den Kontinentalrändern befinden sich entweder auf kontinentaler Kruste, oder "Übergangs-Kruste".
"Übergangs-Kruste" bedeutet, dass die Kruste nicht eindeutig kontinentaler, und auch nicht eindeutig ozeanischer Natur ist.
Die ozeanische Kruste macht ca. 60 bis 65% der Erdoberfläche aus, während die "Übergangs- Kruste" und kontinentale Kruste den Rest der Erdoberfläche bedecken (A16a-A16b).
Plattengrenzen
Die Lithosphärenplatten der heutigen Erde. Auf dieser Gesamtansicht sind die Plattengrenzen – an denen Platten sich trennen, miteinander kollidieren oder aneinander vorbeigleiten – durch weise Linien dargestellt (A17).
Drei Typen von Plattengrenzen:
An divergierenden Plattengrenzen driften die Platten A und B auseinander.
An konvergierenden Plattengrenzen Platte B und C kollidieren.
Bei der Transformstörung gleiten die Platten A und B aneinander vorbei (A18).
Die mittelozeanischen Rücken sind primäre tektonische Plattenränder. Man nennt sie divergente Plattenränder oder auch Extensionsplattenränder.
Island, ein über dem Meeresspiegel liegender Teil des Mittelatlantischen Rückens, vergrössert sich durch wiederholte Spalteneruptionen und seitliche Dehnung (A19-A20).
Die gesamten mittelozeanischen Rückensysteme generieren im Durchschnitt ca. 2,5 km3 neues ozeanisches Krustenmaterial pro Jahr (A21).
Tiefseegräben, vulkanische Inselbögen und Gebirgszüge kommen am zweiten Typus tektonischer Plattenrändern vor: an den sogenannten Subduktionszonen. Subduktions- zonen sind konvergente, Kompressions-Plattenränder (A22).
Wir wissen, dass sich die Erdoberfläche nicht messbar vergrössert. Daraus folgt, dass die Menge des an den mittelozeanischen Rücken und vulkanischen Inselketten gebildeten Materials, der Menge des subduzierten älteren Krustenmaterials entsprechen muss.
Einer Ozean-Ozean-Plattenkollision und die entsprechende Subduktion lassen typische Gesteinstypen entstehen. Die ozeanische Kruste wird von Magmen intrudiert, und es bildet sich ein Inselbogen mit Vulkanen aus basischen und intermediären Laven (A23).
Bei einer Ozean-Kontinent-Plattenkollision und die entsprechender Subduktion sind ozeanische Tiefseerinnen, tektonische Mélangen, magmatische Gürtel, Metamorphose und Vulkanismus typisch (A24).
Am Rand eines Kontinents wird eine Platte subduziert, die ebenfalls einen Kontinent trägt. (a) Zunächst bildet sich die gleiche Struktur wie beim Abtauchen einer ozeanischen Platte, (b) bis dann die Kontinente kollidieren - Kontinent-Kontinent-Plattenkollision (A25-A29).
Der dritte und letzte tektonische Plattenrand-Typus befindet sich dort, wo Material weder gebildet noch zerstört wird. Diese Plattengrenzen nennt man konservierende Plattengrenzen oder Transformstörungen (A30-A33).
Am Meeresboden bewegen sich die Platten entlang einer Transformstörung in den gegeneinander versetzten Bereichen jeweils in entgegengesetzter Richtung, in anderen Abschnitten der Transformstörung jedoch in derselben Richtung. Wegen des Altersunterschiedes der Böden entlang der Transformstörung kann es zur Ausbildung einer steilen Bruchstufe kommen (A34).
Die San-Andreas-Störung ist eine Transformstörung, an der die Pazifische und die Nordamerikanische Platte aneinander vorbeigleiten (A35).
Plattengrenzen - Zusammenfassung (A36-A37)
Hotspots
Zahlreiche Berge auf dem Ozeanboden (Seamounts) und ozeanische Inseln sind über sämtliche ozeanische Bereiche verstreut.
Sie entstanden über sogenannten "Mantel Hotspots"
(auch "Mantel-Plumes" genannt).
Die linearen Anordnungen von ozeanischen Inseln, die weit weg von ozeanischen Rücken sind, bezeichnen wir als 'vulkanische Inselketten'.
Ein berühmtes Beispiel dafür ist die Hawaii-Emperor- Inselkette (A38-A41).
Rekonstruktion des ehemaligen Kontinents Pangaea
Vor 150 Millionen Jahren existierte der Atlantik noch nicht. Nordamerika und Europa waren zu einer riesigen Landmasse verbunden, der sogenannten Pangea. Pangea umfasste ebenfalls Südamerika, Afrika, Australien, Antarktis, Indien, Madagaskar und Asien (A42-A44).
Die Plattenrekonstruktionen in Abbildungen A43 ist das Resultat einer mathematischen Anpassung der bathymetrischen 500 m Isolinie, die in vielen Regionen den Rändern der Kontinente entspricht.
In der Karte sind die einander entsprechenden sehr alten präkambrischen (>1000Ma) Kratone in den zusammen- passenden Gebieten von Südamerika und Afrika sowie von Nordamerika und Europa in orange dargestellt (A45).
Eine Rekonstruktion des ehemalige Kontinents Pangaea und die geologischen Belege aus dieser Zeit. Der Ural und andere alte Gebirge enthalten Ophiolithkomplexe, die als Suturlinien von verschwundenen Ozeanen zeugen (A46).
Dolerit aus dem Mesozoikum
Glaziale Ablagerungen aus dem Permokarbon (225-345 Ma)
Präkambrischer Anorthosit (A47)
Tropische "Laurasia" Flora (Vegetation) Polare "Gondwana" Flora (Vegetation)
Marine "Tethys" Foraminiferen (A48; siehe A49)
Pfeile - Richtungen der Gletscherbewegungen (250-300Ma)
Gebiete von tropischen Regenwäldern (300Ma), die für die heutigen Kohlevorkommen verantwortlich sind. Zu späteren Zeiten kam es in derselben Region zur Wüstenbildung (A49; siehe A48).
Fossilien des Reptils Mesosaurus aus dem höheren Paläozoikum wurden weltweit nur in Südamerika und Afrika gefunden.
Wenn der landlebende Mesosaurus über den Südatlantik hätte schwimmen können, dann hätte er auch andere Ozeane überqueren und sich auf anderen Kontinenten weiterverbreiten können.
Da das Fossil nirgends sonst auf der Erde vorkommt, scheint sich die Theorie zu bestätigen, dass Südamerika und Afrika früher zusammenhingen (A50).
Das Rote Meer teilt sich in den Golf von Suez (links) und den Golf von Akaba (rechts). Das Wegdriften der Arabischen Platte von Afrika liess diese grosse Riftstruktur aufreissen, die heute vom Roten Meer überflutet ist. Der Nil fliesst nach Norden in das Mittelmeer (A51-A53).
Die Zusammenschluss von Pangaea vor 750 Mj vor 260 Mj (A54).
Das Auseinanderbrechen von Pangaea Pangaea vor 200 Mj Heute (A55-A56).
Die Zukunft
Heute + 50 Mj (A57).
