Lithosphaere I

7/23/2019 Lithosphaere I

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Entwicklung der Litho- undBiosphäre (Geologie)

Winter-Semester 2004/05

Mo, Di, Mi, Do 9.15 – 10.00 Uhr Hörsaal Mineralogie

Prof. Dr. Eckart Wallbrecher



Lehrbücher der Allgemeinen Geologie



Historisch wichtige Publikationen



Stellung der Geologie in den Naturwissenschaften

Nachbar- und Hilfswissenschaften:Physik Chemie Biologie Astronomie Mathematik Dynamik, Stoffum- Fossilien Frühzeit der Quantifizie-

Kinematik wandlungen Sedimen- Erde rung,Atomphysik tation Modelle

Nachbar- und Hilfswissenschaften:Physik Chemie Biologie Astronomie Mathematik Dynamik, Stoffum- Fossilien Frühzeit der Quantifizie-

Kinematik wandlungen Sedimen- Erde rung,Atomphysik tation Modelle

Erdwissenschaften:feste Erde Atmosphäre HydrosphäreGeologie Meteorologie OzeanographieGeophysik

GeochemiePaläontologiePetrologie

MineralogieGeomorphologie

Erdwissenschaften:feste Erde Atmosphäre HydrosphäreGeologie Meteorologie OzeanographieGeophysik

GeochemiePaläontologiePetrologieMineralogieGeomorphologie



Geologie:

Verschiedene Forschungsansätze:1) genetisch,

historisch Historische Geologie

2) kausalanalytisch Allgemeine Geologie

Verschiedene Forschungsansätze:1) genetisch,

historisch Historische Geologie2) kausalanalytisch Allgemeine Geologie



Allgemeine Geologie

Forschungsziel:Verstehen der geodynamischen Prozesse

Herkunft der Kräfte:Aus dem Erdinneren Endogene Prozesse

z.B. Wärmehaushalt, WärmetransportGeotektonik (Plattenbewegungen)Gebirgsbildung

Von außen (von der Sonne) Exogene Prozessez.B. Verwitterung, Sedimentation

Forschungsziel:Verstehen der geodynamischen Prozesse

Herkunft der Kräfte:

Aus dem Erdinneren Endogene Prozessez.B. Wärmehaushalt, WärmetransportGeotektonik (Plattenbewegungen)

Gebirgsbildung

Von außen (von der Sonne) Exogene Prozessez.B. Verwitterung, Sedimentation



Herkunft der Energie:

Endogen : Erdwärme (Geothermik)

a) primordial b) neu entstehend

Endogen : Erdwärme (Geothermik)

a) primordial b) neu entstehend

Exogen: Solarkonstante(extraterrestrisch) 21367

m

W



Wärme steuert geodynamischeund geochemische Prozesse

Tektonische Prozesse (Plattenbewegung)

Magmatismus

Metamorphose

Tektonische Prozesse (Plattenbewegung)

Magmatismus

Metamorphose



Die einzelnen Schalen der Erde

0-35

-135

-235

-400

-1500

-2885

-5155

-6370

Oberfläche

}}

}}

}}}

}

Oberer Mantel

Übergangszone

Unterer Mantel

Äußerer Kern

Innerer Kern

Mittelpunkt

KrusteLithosphäre

Asthenosphäre

km



Seit wann?

Alter der Erde und der Planeten: 4.56 Ga

Terrae des Mondes : 4.55 GaÄlteste Gesteine (Isua-Gneise): 3.8 Ga

Alter der Erde und der Planeten: 4.56 Ga

Terrae des Mondes : 4.55 GaÄlteste Gesteine (Isua-Gneise): 3.8 Ga



Wie ist die Verteilung fest – flüssig?Diese Frage läßt sich mit dem Studiumder Seismizität beantworten

Kompressions-oder Longitudi-nalwellen(Primärwellen)

Dieser Wellentypkann auch Flüssig-keiten durchdringen

Scher- oder Trans-Versalwellen(Sekundärwellen)

Dieser Wellentypkann Flüssigkeitennicht durchdringen

Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995



Ausbreitung von P- und S-Wellen

S-Wellen hören an der Grenzezum äußeren Erdkern auf.Hieraus kann man schließen, daßdieser flüssig sein muß.

Verlauf der P-Wellen:

Die Schattenzone ist der Bereich, in den die P-Wellennicht gelangen, weil sie vom

Kern abgelenkt werdenAus Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995



Das Magnetfeld der Erde

Das Magnetfeld entsteht durch einen Dynamoaus innerem Kern (Eisen, fest) und Konvekti-onen im äußeren Kern (flüssig)

Aus Jeanloz (Spektrum), 1987



Zustände der Erdschalen:

Innerer Kern : festÄußerer Kern: flüssig

Mantel : fest

Asthenosphäre: plastisch



Die äußeren Schalen der Erde



Petrologie von Kruste und Mantel

Kruste

Mantel

kontinental: GranitOrthoklas KAlSi3o8

Albit NaAlSi3O8

Quarz SiO2

ozeanisch: Basalt Anorthit CaAl2Si2O8Albit NaAlSi3O8

Olivin (Mg,Fe)2SiO4

Pyroxen Mg2Si2O6

Peridotit



Konvektion bewirkt chemische Zonierung

Mantel

Kruste

Konvektion

Diffusion der leichtenund großen Elemente

in die Kruste

Inkompatible Elemente:Large Ion Lithophiles (LIL-Elemente)

K, Rb, U, Th

Inkompatible Elemente:Large Ion Lithophiles (LIL-Elemente)

K, Rb, U, Th



Verteilung der Radioaktivität

kontinentale Kruste

ozeanische Kruste

oberer Mantel

4

0.5

0.02

U

13

2

0.06

Th

4

1.5

0.02

K

ppmWärme

Joule/(cm Jahr)

3

67 x 10-6

21 x 10-6

0.21 x 10-6

Die Radioaktivität ist in der Erdkruste konzentriertDie Radioaktivität ist in der Erdkruste konzentriert

Der obere Erdmantel ist an den LIL-Elementen verarmt.

Depleted mantle

Der obere Erdmantel ist an den LIL-Elementen verarmt.

Depleted mantle



Radioaktiver ZerfallRadioaktiver Zerfall



wichtige radioaktiveIsotope:

235U, 238U, 232Th, 87Rb, 40K 235U, 238U, 232Th, 87Rb, 40K



Strahlungsarten

α− Strahlung: 2 Protonen + 2 Neutronen (He-Kerne)

β - Strahlung: Elektronen

γ- Strahlung: elektromagnetische Wellen



Zerfallgesetz:

H T

e N

N λ −⋅= 00

2

H T

e

⋅

= λ

2693.02ln ≈=⋅

H T λ

t e N N

λ −⋅= 0 ( λ = Zerfallskonstante )

20

N N =Halbwertszeit ( TH ) :



Indirekter Zerfall:

920882

23290

92068223892

920782

23592

109.13,

105.4,

10713.0,

⋅=→

⋅=→

⋅=→

H

H

H

T PbTh

T PbU

T PbU



Direkter Zerfall: Neutron Proton + e- (ß-Zerfall)

94020

4019

108738

8737

1047.1,

1088.4,

⋅=+→

⋅=+→−

−

H

H

T eCaK

T eSr Rb

Proton + e- Neutron (inverser ß-Zerfall)

94018

4019 1029.1, ⋅=−→ −

H T e Ar K

2 Protonen + 2 Neutronen (α−Zerfall)

1114360

14762 1006.1, ⋅=+→

H T Nd Sm α



Altersmessungen mit direktemZerfall:

N0 = Anzahl der Mutterisotope zu BeginnD = Anzahl der Tochterisotope nach der Zeit t N = Anzahl der Mutterisotope nach der Zeit t

)1(

)(0

−=+=

+=+=

−

t

t

t

e N D

D N Ne

e D N N

D N N

λ

λ

λ

Ausgangsformel für Altersdatierung



Altersdatierungen: Die Isochronen-Methode:

Rb/Sr (Th = 4.88 x 1010

)Ausgangsformel: 1( −=

t e N D

λ)

)1(870

8787 −+= =

t

t heute e RbSr S

λ

r Massenspektrometer mißt Verhältnisse, deshalb

beziehen auf das stabile Sr 86

)1(86

87

086

87

86

87

−+==

t

t heute

eSr

Rb

Sr

Sr

Sr

Sr λ

I s o c h

r o n e

Sr

Sr

87

87

87

86

8686

Sr

Sr

Rb

Sr t = 0

}(Sr-Initial)

a 1tan −= t eλ

α



Chondriten-Isochrone



Indirekter Zerfall: Concordia-Kurve



Erdwärme (Geothermik)Erdwärme (Geothermik)



Arten des Wärmetransportes:

Wärmeleitung (Konduktion)

C cm

cal

°⋅⋅≤≥ sec015.0003.0 λ

Advektion(Aufstieg von Schmelzen)

Advektion(Aufstieg von Schmelzen)

Konvektion(walzenförmiger Wärmetransport)

Konvektion(walzenförmiger Wärmetransport)



Konvektionswalzen

Aus Siever (Spektrum der Wissenschaft), 1987



Der Temperatur-Gradient

Der Temperatur-Gradient gibt die Änderung der Temperatur mit der Tiefe an.

Der Temperatur-Gradient gibt die Änderung der Temperatur mit der Tiefe an.

∆Τ

∆r [°C/m ; °C/km]



Mittlere Werte:

Mittelwert 30°C/kmMittelwert 30°C/km

Geothermische Tiefenstufe

33m/°C

Geothermische Tiefenstufe

33m/°C

Temperaturgänge:

täglich 1m jährlich 25m

Eiszeit 600m

Temperaturgänge:

täglich 1m jährlich 25mEiszeit 600m



Der Wärmefluß

Wärmestromdichte

EnergieFläche x Zeit

Heat Flow Unit (HFU)Heat Flow Unit (HFU)

1 HFU = 10-6 cal

cm2 x sec

= 42 mW/m2

Mittelwert: 1.5 HFU ~ 60 mW/m

2Mittelwert: 1.5 HFU ~ 60 mW/m2

Wä fl ß i E



Wärmefluß in Europa

Stockholm

Bukarest

Paris

Algier

Edinburg

Schottland,Hebriden

Baltischer Schild

Dinariden

Alboran-See Ost-Ägäis



Geothermische Tiefenstufen:

niedrig: junge Vulkanez.B. Santorini

7 – 10 m/°C

tertiäre Vulkanez.B. Urach Schwäbische Alb

14.3 m/°C

hoch:alte Schildez.B. Kanada 125 m/°C

Wärmefluß:alte Schilde 0.9 – 1.1 HFUTiefsee < 1.2 HFU

ozeanische Rücken > 2 HFU

3D S i ik



3D-Seismik Rot : heiß

Blau: kalt 150 km Tiefe150 km Tiefe

350 km Tiefe350 km Tiefe

550 km Tiefe550 km Tiefe

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