Vulkanismus, Plattentektonik, Erdbeben PDF

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Geomorphologie...

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Physische Geographie 1) Geomorphologie: Die Geomorphologie ist die Wissenschaft über die Morphologie, also Form, der Erdoberfläche. Sie beschäftigt sich im räumlichen, wie auch zeitlichen Kontext mit der Analyse der vorherrschenden Gestalt, aber auch zugrunde liegenden entstehungsdynamischen Prozessen. Dabei verbindet sie interdisziplinär verschiedene Teildisziplinen der Geowissenschaften, wie die Hydro- und Klimatologie, daneben Geologie und Bodenkunde.

Entstehung von Kontinenten, Gebirgen und Ozeanen (Mega- und Makrorelief) Entstehung der Erde Prozess der Differenziation - Durch dauerndes Bombardement von Meteoriten und durch radioaktiven Zerfall kommt es zum Aufschmelzen der Erde - In gluflüssiger Phase kommt es zur Wanderung der schweren Elemente in das Erdinnere -Nach Abschluss der Differenziation besteht die Erde aus Schalen unterschiedlich schwerer Materie Hypsometrische Kurve Hypsometrische/hypsographische Kurve - Stellt Höhenstufen des Erdreliefs und ihre Summenhäufigkeit dar o 30% der festen Erdoberfläche liegen über Meeresspiegel, 2/3 darunter o Mittlere Landhöhe: 870 m o Mittlere Meerestiefe: 3700 m Geologische Grundlagen: Das Schalenmodell der Erde Im Erdinneren (in einer Tiefe von 5150km unter der Erdkruste) befindet sich der verschmolzene und feste, innere Erdkern. Dieser wird von einem flüssigen und mächtigeren, äußeren Erdkern umgeben. Der Mantel der Erde gliedert sich ab einer Tiefe von ca. 2900 km in die quasi zähflüssigen, zumindest in Bewegung befindlichen Schichten der Meso- und Asthenosphäre. Auf letzterer bewegt sich die Erdkruste, welche mit maximal 40 km Durchmesser die geringste Mächtigkeit im Schalenmodell der Erde ausmacht. Grundsätzlich besteht ein immer fortwährender, kon- und subduktiver Austausch von Gesteins- bzw. Magmamaterial zwischen den verschiedenen Schalenschichten.

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Konsequenzen aus dem Erdaufbau  Vulkanismus und Erdbeben (wegen Wärmefluss)  Konvektionsströme im oberen Mantel und äußere Kern (wegen Wärmefluss)  Konvektion im Kern  Magnetfeld der Erde  Mantelkonvektion ist Antrieb der Plattentektonik  Plastischer oberer Mantel ist Ursache für isostatische Bewegungen Plattentektonik Die Plattentektonik stellt die theoretische Grundlage für geologische, d.h. z.B. gebirgsbildende, Austauschprozesse des Erdkrusten- und Mantelmaterials dar. Die Lithosphäre bezeichnet (im Kontrast zur Asthenosphäre) die Erdkruste sowie die Bereiche des Erdmantels, welche eine höhere Starre als die tiefer liegenden Teile des Erdmantels besitzen. Sie setzt sich aus kontinentaler und ozeanischer Kruste und den unterliegenden Gesteinsschichten zusammen. Primär durch Wärmeausgleich zwischen kalter Erdoberfläche und wärmerem Mantel kommt es zu Bewegungen der Lithosphärenplatten. Die verschiedenen Prozesse sind in der folgenden Grafik dargestellt. Unterscheidung von: Lithosphäre: die 80-200 km dicke, oberste Gesteinsschale der Erde (Erdkruste + oberster Erdmantel = fest ); „schwimmt“ auf der unterlagernden Asthenosphäre Asthenosphäre: zähplastischer Teil des oberen Erdmantels zwischen Lithosphäre und Mesosphäre, ohne scharfe Grenze; ca. 100-300 km Dicke; fließfähige Schale mit relativ hoher Beweglichkeit  Isostasie (Schwimmgleichgewicht der festen Erdkruste in der zähflüssigen Asthenosphäre) Gesamte Erdkruste ist in Lithosphärenplatten gegliedert (8 große Platten und mehrere kleine Platten/Mikroplatten)  werden durch Antriebskräfte im Erdmantel (besonders durch Wärmeausgleich von Mantel und Kruste) relativ zueinander bewegt

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Die Grundlage der Plattentektonik sind die Konvektionsvorgänge im Mantel und die Dichteunterschiede (→ Subduktion) zwischen ozeanischer und kontinentaler Kruste Alfred Wegeners Theorie von der Kontinentalverschiebung (1912) Superkontinent Pangäa  Indizien (Afrika-Südamerika):  gleich verlaufende Gebirgssysteme  gleiche Gesteine auf beiden Seiten  Verbreitung von Vergletscherungsspuren  gleiche fossile Flora und Fauna  die Kontinentalränder passen ineinander!! Nachweis der Plattentektonik durch Paläomagnetismus und Magnetostratigraphie Die Großpl Großplatten atten der Plattentektonik

Bei der Kollision und Subduktion (Konvergenz) entstehen Gebirge (oder Inselbögen).

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Konvergenz Platten bewegen sich aufeinander zu = Konvergieren Konvergenz von ozeanischer und kontinentaler Platte  Ozeanische taucht aufgrund der größeren Dichte unter die kontinentale ab/wird subduziert  an Subduktionszonen entstehen Tiefseegräben, Hebung der kontinentalen Kruste – Gebirgsbildung (z.B. Anden, Sumatra, Java) o z.B. Westküste Südamerikas: Nazca- und Südamerikanische Platte o typisch für Subduktionszonen: hohe seismische und vulkanische Aktivität

Konvergenz kontinentaler Platten  Kollision erzeugt extreme Krustenverdickungen o Überschiebung der Platten, keine echte Subduktion o In der Variscischen Gebirgsbildung erfolgte eine Konvergenz 4

kontinentaler Platten  Apalachen, europäische Mittelgebirge Andere Beispiele: Himalaya, Ural

Konvergenz zweier ozeanischer Platten: oft Entstehung von vulkanischen Inselbögen (z.B. Japan oder Aleuten)

Divergenz Platten bewegen sich voneinander weg = Divergieren Dehnung ozeanischer oder kontinentaler Lithosphäre Aufreißen der Lithosphäre an Schwächezonen  zwischen den auseinander driftenden Plattenstücken wird ständig neue Kruste gebildet (mit Material aus der Asthenosphäre) Sea floor spreading: Bildung von ständig neuer besonders basischer, ozeanischer Kruste (Mittelozeanischer Rücken) Ozeanentstehung durch Plattendivergenz: z.B. Atlantik, Rotes Meer, Ostafrikanisches Rift Valley, Oberrheingraben. Untermeerische Gebirgsketten mit zentraler Grabenstruktur (Rift)

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Transforme Plattengrenzen Platten werden entlang ihrer Grenze verschoben (ohne dass Lithosphäre gebildet oder zerstört wird) = Horizontalverschiebung Reibung  Scherspannung nimmt so lange zu bis der Reibungswiderstand überwunden wird und ein Bruch erfolgt  Erdbeben Z.B. San-Andreas-Spalte in Kalifornien (Nordamerikanische + Pazifische Platte)

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Falten- und Bruchschollentektonik Faltung: Bei der Deformation der Erdkruste durch isostatische Hebungsprozesse (aufgrund von Druckausgleichen und aufquellendem, heißem Material aus der Asthenosphäre) kann es zur 7

Faltung, Hebung und Senkung an Bruchstellen kommen (s. 2.3). Gebirge: 1. Faltengebirge Zunächst entstanden während des Paläozoikums durch die kaledonische und variskische Orogenese die alten Faltengebirge, wie z.B. die europäischen Mittelgebirge oder aber auch der Ural oder das schottische Hochland. Erstere wurden zu Beginn des Mesozoikums wieder zu Flachlandschaften abgetragen und durch Sedimentgesteinsschichten (Deckgebirgen) bedeckt. Teilweise kam es allerdings ebenso während des Tertiärs und Quartärs zur erneuten Hebung und Schrägstellungen entlang von Bruchlinien. Die jungen Faltengebirge entstanden während des späten Mesozoikums und vor allem im Tertiär in der sogenannten alpidischen Orogenese durch erneute Faltungen infolge der Kontinentalschollenbewegungen. Zu ihnen zählen die Gebirge des alpinen (z.B. Alpen, Himalaya) und des zentralpazifischen Gürtels. Unter bestimmten geologischen Rahmenbedingungen können Gesteinsschichten verbogen werden: - Ausbildung von Satteln (Wellenberge) und Mulden (Wellentäler) - Faltung meist mit seitlicher Einengung verbunden - Gesteinsschichten unterliegen einer Deformation, Vorraussetzung sind entsprechende Temperatur- und Druckbedingungen, Mineralzusammensetzung der Gesteine - Im Kern der Falte wird Material zusammengedrückt, außen verteilt es sich auf größerem Raum, wird dabei gezerrt  Entstehung von Rissen/Klüften im Gestein Klüfte, Spalte = größere Kluft, Gang = Spalte, die mit Füllmaterial nachträglich verschlossen Ursache: mechanische Beanspruchung der Gesteinsschichten, Schrumpfung bei Abkühlung, Flüssigkeitsverlust während der Diagenese  Meist senkrecht zur Schichtung - Schichtfalte: o Wechsel der Einfallswinkel und Einfallsrichtungen der Schichtflächen auf relativ kurzer Distanz o Fallen + Streichen Einzel Typen von Falten (Deckenüberschiebung) Typen aufrecht stehender Schichtfalten 1. einfache Falte 2. Facherfalte 3. Pilzfalte (mit zerrissenen Schenkel) 4. Kofferfalte (mit gedehnten Schenkeln) Liegend Falten und Faltendecken 5. liegende Falte mit gestrecktem Mittelschenkel 6. liegende Falte mit zerrissenem Mittelschenkel 7. Faltendecken verschiedener Einzelausbildung 3.1.4 Bruchtektonik Bei Gesteinsbeanspruchung durch Druck oder Zug in geringer Tiefe kommt es zur Bruchschollenbildung, Verwerfung, Auf– und Abschiebungen, Graben und Horsten Krustendehnungen Krustendehnungen (oft verbunden mit einer Ausdünnung der Kruste) Kruste reißt und wird in einzelne Schollen zerlegt Bildung von Grabenstrukturen Grabens Grabens Grabenstrukturen trukturen trukturen: Ausdehnung der Kruste Ausdünnung an Schwachstellen  reißen und Entstehen von einzelnen Schollen  Weitere Dehnung kann zum vollständigen Aufbrechen der kontinentalen Kruste führen nachfolgende Kruste kann ozeanisch sein (Vermutung für

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ostafrikanisches Riftsystem) Störungen Störungen, Brüche, Ver erwerfungen werfungen sind Grenzflächen von Krustenschollen, die vertikal oder horizontal gegeneinander bewegt werden: o Vertikalbetrag zwischen zwei Krustenschollen = Sprunghöhe o Vertikaler Verlauf der Verwerfung nur in Ausnahme fällen o Krustendehnung: Verwerfungsfläche fällt zur Tiefscholle hin ab (=Abschiebung) Kompression/ Ra Raumeinengung umeinengung der Erdkruste Erdkruste: Auf Aufschiebung, schiebung, Überschiebung Graben Graben Graben: Tiefscholle beidseitig von zwei Hochschollen umgeben Horst Horst Horst: Hochscholle von zwei Tiefschollen umgeben beide meist Ausdruck der Dehnung

2. Bruchschollengebirge Als Bruchschollengebirge werden (alte) Faltengebirge, welche entlang von Bruchlinien erneut gefaltet bzw. gehoben, gekippt oder schräg gestellt wurden, bezeichnet. Hierzu können beispielsweise die zentraleuropäischen Mittelgebirge (wie der Schwarzwald) gezählt werden. Gesteinsarten Magmatite entstehen tief im Erdinneren bei der Auskristallisation von flüssigem Magma. Sie lassen sich in zwei Klassen teilen: 1. Plutonite (Tiefengesteine) Kühlen langsam auf dem Weg an die Erdoberfläche ab, aufgrund größerer Kristallgrößen. 2. Vulkanite (Ergussgesteine) Kühlen sehr rasch bei dem Aufstieg an die Erdoberfläche ab (feinere Kristallgrößen).

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Plutonismus: Unter Plutonismus versteht man geologische Prozesse, die mit dem Eindringen von Magmen in die Erdkruste zusammenhängen und dort zu Plutonen erstarren. Die dabei entstehenden Gesteine nennt man Plutonite, zu ihnen gehört z. B. der Granit. Die Plutone entstehen in größeren Tiefen von 5 km und mehr und entsprechen in ihrer mineralischen Zusammensetzung weitgehend den vulkanischen Gesteinen. Bei diesen handelt es sich jedoch vorwiegend um Basalte, während Plutone überwiegend Granite sind. Die unterschiedlichen Erscheinungsformen erklären sich aus den verschiedenen physikalischen und chemischen Entstehungsbedingungen: So ist die Viskosität der siliziumreichen („sauren“) Schmelzen des Magmas wesentlich höher als die der siliziumärmeren („basischen“) vulkanischen Schmelzen. Darüber hinaus wird das Schmelzverhalten vom Wassergehalt beeinflusst: Bei den wassergesättigten Systemen der Plutone erhöht sich das Schmelzvolumen beim Aufstieg (Druckentlastung), während es bei wasserfreien basaltischen Systemen sinkt. Daraus resultieren die unterschiedlichen Erscheinungsformen trotz gleicher mineralischer Zusammensetzungen

Sedimentite Sedimentgesteine entstehen als Folge von Verwitterung-, Umlagerungs- und Biogenprozessen an der Erdoberfläche. Ausgangsgesteine können Magmatite und Metamorphite sein. Man unterscheidet zwischen klastischen (also aus Gesteintrümmern bestehenden) sowie nichtklastischen (aus Verwitterungsprozessen hervorgegangenen) Gesteinen.

Metamorphite Metamorphe Gesteine bezeichnen durch Tiefendruck und –temperatur umgewandelte Magmatite und Sedimentite. Migmatite und Anatexite sind hierbei vollständig aufgeschmolzene Gesteine. Gesteinskreislauf

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Endogene Faktoren Als endogene Faktoren werden bei der Gesteinsbildung Druck und Temperatur bezeichnet – also endogene Faktoren der Erdschalen.

Exogene Faktoren Die exogenen Faktoren beziehen sich auf biologische und klimatische Verwitterungsprozesse.

Verwitterung Allgemein Verwitterung Verwitterung wird definiert als die Veränderung der physikalischen, chemischen und mineralogischen Eigenschaften von Gesteinen und Sedimenten an der Erdoberfläche unter dem Einfluss der Atmosphäre, Hydro- und Biosphäre

Physikalische Verwitterung Bei der physikalischen Verwitterung ändert sich die chemische Zusammensetzung der Gesteine nicht.

Adsorption und Desorption Besonders in ariden Gebieten wirkt diese Verwitterungsart: Durch Luftfeuchtigkeit legen sich in dünne Wassermolekülfilme auf die Oberflächen von Gesteinen und deren dünne Haarrisse. Dort wirkt der (stetige) Wechsel von Adsorption und Desorption sprengend.

Insolationsverwitterung Die Insolationsverwitterung wird auch Temperaturverwitterung genannt. Hierbei dehnen sich die Minerale des Gesteins unterschiedlich schnell (außen schneller, innen langsamer) aus und schrumpfen bei einer Temperaturabnahme wieder. Dies führt zu Spannungen und kann verstärkte Risse und unter Adsorption und Desorption zu einer Sprengung des Gesteins führen.

Verwitterung durch Druckentlastung Bei der Beförderung von in der Tiefe entstandenen Gesteinen (z.B. Magmatiten wie dem Granit) kommt es zu einer Druckentlastung an der Erdoberfläche. Da die dortigen Druck- und Temperaturverhältnisse nicht der Entstehungsumgebung entsprechen, kann es zu Spannungen im kristallinen Gitter kommen und Klüfte und Risse entstehen.

Frostverwitterung Die Frostverwitterung ist eine Folge in das Gestein infiltrierenden Wassers, welches unter 13

Abkühlung zu Eis wird und auf sprengende Weise sein Volumen in feinen Haarrissen ausdehnt. Salzverwitterung Bei der Salzverwitterung kommt es unter Zugabe von Wasser (Hydratisierung) zu einer Ausdehnung von im Gestein enthaltenen Salzmineralen, welche wiederum das Gestein sprengen können.

Chemische Verwitterung Wichtige Faktoren für die chemische Verwitterung sind das Vorhandensein von Wasser, dessen Menge und Zusammensetzung (wichtig sind pH-Wert sowie Sauerstoffgehalt) sowie spezifische Eigenschaften des Gesteins (enthaltenen Minerale sowie Metalle). Hydratation (Lösungsverwitterung / Verkarstung) Die Lösungsverwitterung beschreibt die Zerstörung der ursprünglichen, chemischen Gesteinszusammensetzung durch Herauslösen verschiedener Ionen bzw. Metalle / Salze mittels spezifisch zusammengesetzten und lösungsfähigen Wassers. Mitunter entsteht durch Hydratationsverwitterung Gips. Hydrolyse (Säureverwitterung) Die Hydrolyse beschreibt die Umsetzung eines Salzes mit den Ionen des Wassers. Mit sinkendem pH-Wert der Bodenlösung steigt die Verwitterungsintensität. Daneben sind für die Lösungsreaktion die Faktoren Temperatur und Wassergehalt im Gestein entscheidend. Feldspatverwitterung Bei der Feldspatverwitterung handelt es sich um eine Reaktion des silikathaltigen Kalifeldspats mit den Ionen von Wasser zu Säuren, die eine Tonmineralneubildung bewirken. Carbonatverwitterung Hier geht Kohlenstoffdioxid aus der Luft mit Wasser in Lösung zu Kohlensäure. Diese wiederum bewirken eine Lösung von Kalksteinen bzw. deren wasserlöslichen Ionen Calcium und Hydrogencarbonat. Oxidationsverwitterung Hier kommt es zu einer Oxidation der im Gestein enthaltenen Metalle (z.B. Eisen oder Mangan) mit Sauerstoff. Dies führt zu einer Heraus- und Ablösung der Metalle an der Oberfläche des Gesteins. Bei Wassersättigung geschehen vor allem im Grundwasserbereich zudem Reduktionsprozesse mit dem im Wasser enthaltenen Sauerstoff

Biologische Verwitterung Physikalisch-biologische Verwitterung (Wurzelsprengung) Es handelt sich hierbei um biologisch hervorgerufene physikalisch-mechanische Verwitterungen. Hierzu zählt beispielsweise die Wurzelsprengung von Gesteinen.

Chemisch-biologische Verwitterung Bakterien) Gegenüber der physikalisch-biologischen Verwitterung treten bei der chemisch-biologischen Verwitterung keine mechanischen, aber chemische Prozesse in Erscheinung. Hierzu kann beispielsweise die Säureabsonderung durch Bakterien gezählt werden.

Intensität der Verwitterung Chemische und physikalische Verwitterung sind von verschiedenen Faktoren abhängig und wirken vor allem entsprechend den klimatischen Bedingungen verschieden stark. So ist die chemische Verwitterung besonders von pH-Wert, Temperatur und Feuchtigkeit (d.h. Verfügbarkeit von Wasser) abhängig und Gesteinszusammensetzungen. Die physikalische Verwitterung wirkt hingegen intensiver, wenn extreme Kräfte auftreten.

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Gebirgsbildung Sedimentation in der Geosynklinale Einengung (Faltung, Überschiebung) Auffaltung zum Gebirge im geomorphologischen Sinn Große Gebirgsbildungsph Gebirgsbildungsphasen asen auf der Erde cadomische Gebirgsbildung (Proterozoikum/Jungpräkambrium circa 1 Milliarde Jahre) kaledonische Gebirgsbildung (vor 500 – 390 Mio. Jahren. Ordoviz/Silur) variskische Gebirgsbildung (vor 380 -250 Mio. Jahren. Devon, Carbon, Perm) alpidische Gebirgsbildung (vor 110 – 0 Mio. Jahren. Kreide/Tertiär/Quartär)

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 Grundlagen Grundlagen durch durch:: o Analyse von Fossilien, Gesteinsschichten, etc. o Altersangaben durch Isotopen – geochemische Analyse o Informationsdichte sinkt mit zunehmendem Alter  Bezeichnung Bezeichnung der Z Zeitabschnit eitabschnit eitabschnitte: te: o Wissenschaftshistorisch zu erklären, meisten sind international vereinheitlicht Phanerozoikum, Ära die durch Fossilien belegbar ist Paläozoikum = Erdaltertum, Mesozoikum = Erdmittelalter, Känozoikum = Erdneuzeit Name auch in Bezug auf Gesteinsprägung, z.B. Buntsandstein, Muschelkalk, …, aber grundsätzlich können zu allen Zeiten alle Gesteinsarten auftreten Tektonische Prozesse seit Existenz des Planeten (rund 4,5 Milliarden Jahren) Im Laufe der Erdgeschichte Verlagerung der epirogenetischen und orogenetischen Prozessintensitäten Gliederung Gliederung der Erdgeschichte in Phasen verstärkter Gebirgsbildun Gebirgsbildung g durch Geologie er erarbeitet: arbeitet: o Europa: Beginn der Orogenesen mit der cadomischen Phase im Jungpräkambrium – z.B. Bretagne (Frankreich) Kaledonische Orogenese – z.B. im äußersten Norden Schottlands, skandinavische Längsgebirge Variszische Gebirgsbildungsphase – z.B. Rheinisches Schiefergebirge, Harz, Appalachen Alpidische Gebirgsbildungsphase – z. B: Alpen, Himalaja  Orogene können im einzelnen mit dem Aufbau und dem Zerfall des Superkontinentes Pangäa in Verbindung gebracht werden  Strukturen präkambrischer Orogenese lassen sich aus kristallinen Gesteinen, die

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die Kontinentalkerne bilden rekonstruieren – z.B. Baltischer Schild in Nordeuropa, Laurentischer Schild in Kanada  Geologische Geologische K Karten: arten: In erster Linie zeitliches Gliederungsprinzip, nur auf großmaßstäbigen Karten  Gesteinsausprägungen Differenzierung von Alter der Formung und Alter der Gesteine, z.B. Gesteine die die finnische Seenplatte aufbauen aus dem Präkambrium, aber entscheidende Formung erst während des Pleistozäns Gebirgst Gebirgstypen ypen Faltengebirge (z.B. Schweizer Jura, Pyrenäen, Hoher Atlas) Deckengebirge (z.B. Alpen, Himalaya)

Geologische Entwicklu Entwicklung ng Europas

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Vulkanismus = alle Vorgänge und Erscheinungen, die mit der Förderung von Gesteinsschmelzen, Lockerstoffen und Gasen aus dem Inneren der Erde zur Erdoberfläche in Zusammenhang stehen. Vulkanismus beginnt meist im oberen Mantel und setzt sich in der Kruste fort Vorkommen: An Bruch – und Schwächezonen der Lithosphäre (z.B. Plattengrenzen) Hot Spots als Intraplattenvulkanismus über Manteldiapiren Vulkan-Konzentration um den Pazi...