Cardset

• Das System Erde umfasst alle Teile unseres Planeten und deren Wechselwirkungen untereinander.

• Das System Erde ist ein offenes System.

• Geosysteme: Klima, Plattentektonik und der Geodynamo

• Durchmesser Erde: 6371 km

• Höhe Mt. Everest: ca. 9km

Das Erdinnere ist nach der Dichte in Schalen aufgebaut

• Dichte der Oberflächengesteine: < 3,5 g/cm3

• Dichte der gesamten Erde: 5,5 g/cm3

• Dichte des Kerns: ~ 11 g/cm3

• Kontinentale Kruste hat geringere Dichte als ozeanische Kruste

• Erdkruste: 46% Sauerstoff, 28% Silicium 8% Aluminium

• Erdmantel: 44% Sauerstoff, 21% Silicium, 22,8% Magnesium

• Äußerer Kern: 85% Eisen mit etwas Nickel, Schwefel, O2

• Innerer Kern(fest): 94% Eisen 6% Nickel

Heißes Material steigt aus Erdmantel nach oben -> führt zur

Entstehung und Trennung der Platten -> Wo Platten

konvergieren wird die abgekühlte Platte unter die überfahrende

obere Platte gezogen -> und taucht in den Erdmantel ab, wo sie

aufgeschmolzen wird und in geschmolzenen Zustand wieder

nach oben steigt

System Geodynamo: schnelle Bewegungen des flüssigen,

äußeren Kerns induzieren einen elektr. Fluss im festen, inneren

Eisenkern, was das Erdmagnetfeld erzeugt

• Umfasst die Bewegung der Kontinentalplatten und die Kräfte, die auf diese wirken.

• Sie erklärt die Verteilung von Vulkanen, Erdbeben, gefalteten Gebirgsketten, Gesteinsvorkommen und Strukturen des Meeresbodens.

• Die Kräfte, die Plattenbewegungen verursachen, entstehen aus dem Konvektionssystem des Mantels.

• Alfred Wegener entdeckte Kontinentaldrift: puzzleartiges Passen von Kontinenten, ähnliche Gesteine an Afrika/Amerika Grenze, Fossilienverbreitung ähnlich, Gletscher Sediment und Umgebungen ähnlich

• Geologische Aktivität an Plattengrenzen

• Seafloor-spreading: am Mittelozeanischen Rücken Bildung neuer Kruste

• Divergierende Plattengrenzen: Platten trennen sich und es entsteht neue Kruste (mittelatlantischer Rücken)

• Konvergierende Plattengrenzen: Platten bewegen sich aufeinander zu, ozeanische Kruste taucht in Erdmantel ab, kontinentale Kruste wird deformiert (Ozean-Ozeanische Platte, Kontinent- Kontinentale Platte, Ozeanisch-Kontinentale Platte)

• Transformstörungen: Platten gleiten horizontal aneinander vorbei (San-Andreas-Störung)

• Magnetische Anomalien: Gebiete des Meeresbodens mit hohen oder niedrigen magnetischen Werten

• Entwicklung einer magnetischen Zeitskala

• Mithilfe der Zeitskala der Feldinversionen wurden die magnetischen Anomalien des Meeresboden datiert

• Isochronen des Meeresbodens: farbige Streifen, die Zeitspanne angeben, die Alter der ozeanischen Kruste entspricht. Grenzen zwischen Streifen sind Linien gleichen Alters=Isochronen

• Mithilfe von Signalen der GPS-Satelliten lassen sich Richtung und Geschwindigkeit der Plattenbewegungen bestimmen

• Durchschnittliche Plattengeschwindigkeit: 14-150 mm/Jahr äquivalent Fingernagel

• Großkontinent Rodinia entstand vor 1,1 Milliarden Jahren und brach vor 750 Ma1 auseinander

• Zusammenschluss Pangaea: vor 237 Ma Jahren abgeschlossen

• Auseinanderbrechen von Pangaea in Nordkontinent Laurasia und Südkontinet Gondwana vor 150 Ma Jahren

• Vor 66 Ma Jahren: Öffnung Südatlantik

• 65 Ma Jahre: Entstehung der Welt, wie wir sie heute kennen

1. Die Plattentheorie ist kein Dogma, aber eine bestätigte Theorie, deren Stärke ihre Einfachheit, Allgemeingültigkeit und Übereinstimmung mit vielen Beobachtungen ist.

2. Die Theorie hat viele Versuche überstanden sie zu widerlegen und ist so wichtig viele Phänomene zu erklären, dass Geologen sie als Tatsache ansehen.

3. Gründe warum der Beweis und die Akzeptanz der Theorie so lange dauerten: sehr verhaltenes Herangehen an das Thema durch viele Wissenschaftler; globale Größenordnung des Problems; spezialisierte Technologie war nötig, welche Entwicklungszeit brauchte

Definition: Ein Mineral ist ein homogener, natürlich vorkommender, kristalliner, im Allgemeinen anorganischer Festkörper, bestimmter chemischer Zusammensetzung.

Wie bilden sich Minerale?

• Kristallisation: Atome verbinden sich in den richtigen Verhältnissen und Strukturen

Wann bilden sich Minerale?

• bei der Abkühlung geschmolzenen Gesteins

• bei der Evaporation (Verdunstung) von Wasser

• bei Temperatur- und Druckveränderungen in existierenden Mineralen

Chemische Mineralklassen:

• Silicate - enthalten Si und O

• Karbonate - enthalten C und O

• Oxide - enthalten metallische Kationen und O

• Sulfide - enthalten metallische Kationen und S

• Sulfate - enthalten metallische Kationen und SO4

• Halide - enthalten Cl, F, I oder Br

• Hydroxide - enthalten OH

• gediegene Elemente - aus nur einem Element bestehenden Minerale mit metallischer Bindung

Physikalische Eigenschaften von Mineralen:

Härte, Spaltbarkeit, Bruch, Glanz, Farbe, Strichfarbe, spezifisches Gewicht und Dichte, Kristallform/Habitus

tetraedrische Form aus SiO4:

Arten von Silicatmineralen: Insel- oder Neosilicate, Gruppen- oder Sorosilicate, Ring- oder Cyclosilicate,

Ketten- oder Inosilicate, Doppelketten- oder Bandsilicate, Schicht- oder Phyllosilicate, Gerüst- oder

Tektosilicate

• magmatische Gesteine

• Sedimentgesteine

• Metamorphe Gesteine

• Deformation tritt hauptsächlich in der Nähe von Plattengrenzen auf.

• Geländebeobachtungen von Deformationsstrukturen helfen uns die geologische

Geschichte zu rekonstruieren.

• Deformation umfasst Verwerfungen fester Gesteine und das Verfalten biegsamer

Gesteine.

Deformation:

• Zugkräfte

• Druckkräfte

• Scherkräfte

• Messen von “Streichen” und “Fallen”:

• Streichen ist die Richtung der Schnittlinie einer Gesteinsschicht mit einer horizontalen Fläche.

• Fallen ist die Neigung der Gesteinsschicht, senkrecht zum Streichen gemessen.

• Gesteinsverhalten im Labor: spröde oder duktil =>~300 C Deformation

• Verhalten des Gesteins in der Erdkruste:

o Tiefe bedingt die Sprödheit

o Temperatur und Tiefe sind sehr wichtig für duktiles

Gesteinsverhalten

o Gesteinstyp bedingt die Art der Deformation

o Geschwindigkeit der Deformation spielt eine Rolle

Verwerfungen/Störungen:

• Abschiebung (normal fault)

• Aufschiebung, Überschiebung (reverse fault, thrust fault)

• Seitenverschiebung - dextral oder sinistral (strike slip fault).

• meist treten Mischformen auf: Schrägab- bzw Schrägaufschiebungen(a) Abschiebung: Verschiebung entlang Falllinie, bei der sich der Block oberhalb der Störung relativ zum Block darunter nach unten bewegt hat

(b) Auf-/Überschiebung: Eine Verschiebung entlang der Falllinie, bei der sich der obere Block (oberhalb der Ebene der Störung nach oben und über den unteren Block schiebt.

(c) Überschiebung: wie Aufschiebung, mit Winkel kleiner als 45°

(d) Scherung: führt zu rechtsseitigen(dextral) und linksseitigen (sinistral) Horizontalverschiebungen, Störung, bei der zwei Blöcke aneinander vorbeigleiten

(e) Kombinationen von Scherkräften und Dehnung bzw. Einengung führt zu Schrägabschiebungen bzw. Schrägaufschiebungen

Falten:

Können aufgrund der räumlichen Orientierung ihrer Faltenachse und Achsenfläche beschrieben werden.

Sattel sind nach oben gewölbt -> Antiklinale

Mulden sind nach unten gebogen -> Synklinale

• Symmetrische Falten

• Asymmetrische Falten

• Überkippte Falten

• Abtauchende Falten

• Extensions-/Dehnungstektonik: Durch Dehnung der kontinentalen Kruste entstehen Abschiebungen, die im oberen Teil der Kruste steil, nach der Tiefe hin immer flacher einfallen, sodass gebogene Störungsflächen entstehen (Beispiel Rotes Meer) -> Rift Valley

• Durch die Untersuchung geologischer “Uhren” können Geologen lang vergangene Prozesse datieren.

• Mit diesen “Uhren” kann die Dauer geologischer Prozesse und Zyklen des Systems Erde gemessen werden.

• Geologen verwenden dabei die Begriffe “relatives Alter” und “absolutes Alter”.

Stratigraphie: Untersuchung von Schichtungen und ihre zeitliche Zuordnung. Ziel ist es, Gesteinskörper:

• anhand der darin enthaltenen organischen und anorganischen Merkmale zu gliedern,

• zeitlich relativ zu ordnen und

• mit anderen Gesteinseinheiten miteinander zeitlich in Beziehung zu setzen (Korrelation).

• Prinzipien: Ursprüngliche horizontale Ablagerung, Lagerungsfolge, Faunenabfolge

Sedimente werden in horizontalen Schichten abgelagert und gehen allmählich von Locker- in Festgesteine über.

Solange sie nicht von tektonischen Bewegungen beeinflusst werden, liegt die jüngste Schicht oben, die älteste unten

• Erosionsdiskordanz: Ablagerungen der Schichten A-D unter dem Meeresspiegel ->Tektonische Bewegungen führen zur Heraushebung der Schichten über dem Meeresspiegel -> Abtragung bewirkt die vollständige Entfernung der Schicht D und Teile der Schicht C -> Entwicklung einer unregelmäßigen Oberfläche mit Hügeln und Tälern -> Absenkung unter den Meeresspiegel und Ablagerung der Schicht E über C. die Abtragungsfläche von C wird aus Erosionsdiskordanz überliefert.

o Erosion – wenig Zeit im Hiatus2

• Winkeldiskordanz: Im Meer abgelagerte Schichten -> Tektonische Kräfte führen im Zuge der Gebirgsbildung zur Hebung, Faltung und Deformation der Sedimentschichten -> Abtragung der morphologisch höher liegenden Gebiete und Entstehung einer weitgehend eingeebneten Landschaft, in der noch Teile der gefalteten Schichten zutage treten -> Absenkung unter dem Meeresspiegel und erneute Ablagerung von Sedimenten auf der ehemaligen Erosionsfläche. Die Fläche zwischen den gefalteten und den jüngeren horizontal lagernden Schichten wird als Winkeldiskordanz überliefert.

o Hebung, Faltung, Erosion – viel Zeit im Hiatus

• Intrusionen: Abgelagerte Sedimentschichten -> Hebung, Faltung und Deformation durch tektonische Kräfte -> Intrusion eines Gesteinsgangs in die gefaltete Schichtenfolge. Da der Gesteinsgang die gefalteten Schichten diskordant durchschlägt, ist er jünger als die deformierten Sedimentgesteine -> Der Gesteinsgang und die Schichtenfolge werden an einer Störung gegeneinander versetzt, Bruchtektonik jünger als Intrusion

• Unterteilung der geologischen Zeit in Ära, Periode und Epoche

• Prinzip der radiometrischen Datierung: radioaktive Atome, Mutter- und Tochteratome, Halbwertszeit

• Uran-Blei: 10 Ma -4,6 Ga3 Jahre datierbar

• Kalium-Argin: 50000a – 4,6 Ga

• Rubidium-Strontium: 10 Ma – 4,6 Ga

• Kohlenstoff-Stickstoff: 100- 70000a

• Vier Äonen in der geologischen Zeitskala:

o Hadeum – ohne Leben

o Archaikum – chemische Evolution und

bakterielles Leben

o Proterozoikum – einzelliges Leben (Eukaryoten)

o Phanerozoikum – sichtbares Leben, (Vielzeller,

Hartteile)

Zeitmessung im System Erde:

• Sequentstratigraphie

• Chemostratigraphie

• Magnetostratigraphie

• Zeitmessung im System Klima

• Neue seismische Technologien ermöglichen die Darstellung seismischer Profile, die die Grundlage der Sequenzstratigraphie bilden und ermöglichen darüber hinaus, selbst einzelne Schichten einer Sequenz zu erkennen -> Die seismischen Sequenzen bilden Änderungen der Sedimentationsbedingungen ab, wie sie beispielsweise in einem Flussdelta auftreten -> über den älteren Schichten kommt es zur Ablagerung aus Deltasedimenten (Sequenz B) -> Meeresspiegel steigt an und Küste verlängert sich landeinwärts -> neue Sequenz überlagert diskordant Sequenz B

Die Kontinente

• Fast zwei Drittel der Erdoberfläche - die gesamte ozeanische Kruste - wurden im Lauf der letzten 200 Millionen Jahre gebildet.

• Die Gesteine der Kontinente sind mit bis zu 4 Milliarden Jahren viel älter.

• Durch die Erforschung der Kontinente erfahren wir, wie sich die kontinentale Lithosphäre gebildet und entwickelt hat

Arten tektonischer Provinzen:

• Schilde

• Platformen

• Sedimentbecken

• phanerozoische Orogene

• Regionen der Krustendehnung

Arten des Kontinentwachstums:

• Magmatismus

• Akkretion

o Angliederung von Terranen

o exotische Terrane

Das Wachstum der Kontinente:

• Akkretion eines Krustenblocks an einen Kontinent: ein Bruchstück ozeanischer oder kontinentaler Kruste gelangt an eine konvergierende Platte -> Das Krustenfragment hat einen größeren Auftrieb als die subduzierte Lithosphäre -> Der Krustenblock wird an die überfahrende Platte angeschweißt

• Akkretion eines Inselbogens an einen Kontinent: Eine Platte, die einen Kontinent trägt, wird unter einen Inselbogen subduziert -> Die kontinentale Kruste hat einen größeren Auftrieb als die subduzierte Lithosphäre und wird daher nicht subduziert -> Kruste des Inselbogens wird an Kontinent angeschweißt

• Akkretion an einer Horizontalverschiebung: Zwei Platten werden an einer Horizontalverschiebung gegeneinander versetzt -> Das Bruchstück eines Terrans wird am Rand der Platte A verschoben -> Kommen die Bewegungen an Störung zur Ruhe, wird das Bruchstück in großer Entfernung zu seinem Ursprung mit Platte A verschweißt

• Akkretion durch Kontinent-Kontinent-Kollision mit nachfolgender Krustentrennung: Eine Platte, die einen Kontinenten trägt, wird unter eine andere kontinentale Platte subduziert -> Kontinent wird nicht subduziert, vielmehr werden die beiden Kontinente an einer Reihe von Überschiebungen miteinander verschweißt -> späteres Stadium: durch Riftvorgänge und Seafloor-spreading kommt es zur Trennung der kontinentalen Platte und dabei bleibt ein Teil des Kontinents am anderen zurück

• Akkretion von Terranen in Nordamerika: ein großer Teil der Kordilleren bestehen aus exotischen Terranen, die in den vergangenen 200 Ma an den Westrand des Kontinents angeschweißt worden sind

Modifizierung der Kontinente:

Modifizierung durch Plattenkollision

• Känozoische Orogenesen

• Paläozoische Orogenesen und die Entstehung Pangaeas

• Wilson-Zyklus

• Epirogenese: Modifizierung durch Vertikalbewegung

• Abkühlung und Aufheizung der Lithosphäre

• Gewicht angehäuften Sediments oder Gletschereis

1) Rückformung: Durch das Gewicht der Inlandeismassen wird die kontinentale Lithosphäre nach unten gedrückt, wenn Eis abschmilzt, kehrt sie wieder in ihre Ausgangsposition zurück

2) Aufheizung der Lithosphäre: Die Aufheizung führt zur Aufwölbung und Dehnung der kontinentalen Lithosphäre

3) Abkühlung der Lithosphäre im Inneren eines Kontinents: führt zur Absenkung und Bildung eines Sedimentbeckens

4) Abkühlung der Lithosphäre am Kontinentalrand: kommt es zum Auseinanderbrechen eines Kontinents, sinken die Ränder nach ihrer Abkühlung unter den Meeresspiegel ab; auf passiven Kontinentalrändern entstehen mächtige Sedimentserien

5) Aufheizung des tiefen Mantels: Ein aufsteigender Manteldiapir heizt die Kruste auf und übt auf die Basis der Lithosphäre nach oben gerichtete Kräfte aus, die zu einer großräumigen Hebung der Erdoberfläche führen

Passive Kontinentalränder: Kontinental platte endet nicht am Meer sondern setzt sich unter Wasser fort

Struktur eines Kratons

• kontinentale Kruste

• kratonischer Kiel

• Die starre kalte Lithosphäre erstreckt sich unter den Kratonen bis in die Tiefen von 250 km. Dies entspricht etwa der doppelten Mächtigkeit der ältesten ozeanischen Platten. Sie bildet den Kiel eines Kratons

• Während die Gesteine unter den Ozeanen und die jüngeren Bereiche der Kontinente heiß sind und sich daher plastisch verhalten

Geobiologie:

• Die Geobiologie erforscht wie Organismen durch die Umwelt der Erde und vice versa beeinflusst werden.

• Die Biosphäre der Erde funktioniert als System.

• Mikroorganismen spielen eine sehr wichtige Rolle in den Prozessen der Erde, u.a. bei der Mineral- und Gesteinsbildung und der Abtragung.

Die Biosphäre als System:

• Die Biosphäre (Ökosphere) ist der Teil unseres Planeten, der alle lebenden Organismen umfasst.

• Ökosysteme bestehen aus Organismen und geologischen Komponenten, die in einer ausgeglichenen Beziehung zueinander stehen.

• Geobiologie ist die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen der Biosphäre und den physikalischen Umgebungsbedingungen der Erde.

Kohlenstoffkreislauf:

CO2 wird von Pflanzen aufgenommen und teilweise durch Photosynthese als O2 abgegeben -> Pflanzen sterben ab

-> CO2 wird durch Mikroorganismen freigegeben -> Pflanzen werden von Tieren gefressen -> Tiere sterben -> CO2

wird mithilfe von Mikroorganismen an Umwelt freigegeben

• Organismen des Ökosystems sind Produzenten (autotrophe Organismen) und Konsumenten (heterotroph), Destruenten

• Nahrungsnetze sind sehr komplex

• Ausgangsmaterial aus dem Leben besteht: Kohlenstoff, N,P,S,K,Ca,Fe, Wasser und Energie(Licht, Zucker, chem. Energie)

• Ernährungsarten: photoautotroph, photoheterotroph, chemoautotroph, chemoheterotroph

• Prozesse und Produkte: Stoffwechsel, Photosynthese, Atmung

Biogeochemische Kreisläufe - der Weg eines chemischen Elements oder Moleküls, das sich zwischen biologischen und umweltbedingten Komponenten eines Ökosystems bewegt.

• Treibhausgase wie Kohlenstoff

• Phosphor- und Schwefelkreislauf

Kohlenstoffkreislauf:

-> langfristiger biogeochemischer Kohlenstoffkreislauf

• Kohle, Erdöl, org. Kohlenstoff in Atmosphäre

-> kurzfristiger Kreislauf

• Terrestrischer C in Form von CO2 in Luft und Torf/ Kohle/Kalksedimente/ Erdöl in Boden Aquatischer C in Wasser gelöst in Form von HCO3- und Boden gleich

Mikroorganismen:

Mikroben – einzellige Organismen, wie Bakterien, Protozoen und einige Pilze und Algen

• Genetisch diverseste Gruppe

• Kann in lebensfeindlichen Umgebungen überleben -> Extremophile: hohe Temperatur (Thermophile), saurer pH (Acidophile), hoher Salzgehalt (Halophile), kein Sauerstoff (Anaerobe)

• Entstehung von Leben eventuell an Black Smokers

• Gemeinsamer Vorfahre: einzelne Wurzel

• Interaktionen zwischen Mikroorganismen und Mineralen: Mineralausfällung, Minerallösung

• Mikrobenmatten: Stromatolith: Auf der Oberfläche wachsen Mikroorganismen -> Auf diesen wird Sediment abgelagert -> Mikroorganismen wachsen durch Sedimentschicht nach oben und bilden neue Lage

Entstehung des Lebens: präbiotische Suppe:

Methan, Ammoniak, Wasserstoff, Wasser + elektrische Entladung -> Aminosäuren

1. Stufe: abiotische Synthese und Akkumulation kleiner organischer Moleküle wie Aminosäuren, Nukleotide und Fette

2. Stufe: Moleküle aus Stufe 1 kondensieren zu Polymeren

3. Stufe: Bildung eines Kompartiment (Urzelle)

4. Die Elemente der 3 Stufen kommen zusammen und erlangen die Eigenschaft der Vererbung. Erste Erbsubstanz war vermutlich katalytische RNA

-> Prozess hat 100 Ma Jahre gedauert, Urorganismus muss anaerob, hyperthermophil, halophil und chemolithoautotroph gewesen sein (siehe heiße Quellen heutzutage)

- Stromatolithen (Beweis für Mikroorganismen) bis zu 2500 Millionen Jahre alt

Entstehung der sauerstoffhaltigen Atmosphäre der Erde

• Cyanobakterien

• gebänderte Eisenformationen

• eukaryotische Algen

• Rotsedimente

  
  

  Im Proterozoikum bereits Sauerstoff: Genesemodell:

• Bereits minimale Sauerstoffkonzentration im Wasser vorhanden, jedoch für anorganische Eisenoxidation zu gering

• Eisenbakterien (benötigen minimale Mengen von Sauerstoff) oxidieren mit Hilfe dieses Sauerstoffs das Eisen (oxidiertes Eisen)

• Danach wieder sauerstofffrei: Fällung von sulfidischem Eisen (reduziertes Eisen)

• Damit BIFs: Hinweise auf Minimalmengen von Sauerstoff.

  
  

  Evidenzen für das Fehlen von freien Sauerstoff in der frühen Erdatmosphäre (Alt-Proterozoikum):

• Uraninit und Pyrite liegen als Konglomerate vor

• Fehlen von kontinentalen Fe-oxiden (keine Rotböden)

• „Banded iron formations“ kommen zwischen 1.8 - 2.5 Mrd Jahren vor

• Frühes Leben (Chemoevolution) kann sich bei Anwesenheit von O2 kaum bilden (Aminsäuren, DNA)

• Primitivste Organismen (Archaea, Bakterien) haben eine anaerobe Lebensweise, O2 wirkt für sie als Zellgift

Evolutionäre Radiation und Massenaussterben:

Radiation des Lebens: die kambrische Explosion

• evolutionäre Radiation

• natürliche Auslese

• alle Stämme des Tierreichs haben sich gebildet

• Entwicklung von Schalen

• Kambrische Explosion mit Beginn des Phanerozoikums = sichtbares Leben

• Massenaussterben des Phanerozoischen Lebens: 5 Massenaussterben seit Beginn des Phanerozoikums, das Letzte an Kreide/Paläogen- Grenze vor 66 Ma Jahren durch Chicxulup Meterorit

Erdbeben:

1. Erdbeben erklären sich durch die grundlegenden Deformations-mechanismen

2. Die meisten Erdbeben treten an Plattengrenzen (konvergierende, divergierende, Seitenverschiebungen) auf.

3. Erdbeben können nicht abgeschwächt oder verlässlich vorhergesagt werden.

Was ist ein Erdbeben?:

• Erdbeben treten auf, wenn Gesteine unter Druck stehen und plötzlich an neuen oder bestehenden Störungen brechen.

• Seismische Wellensind Vibrationen des Untergrunds, die durch Gesteine ausgelöst werden, die sich an einer Störung aneinander vorbei bewegen.

Scherbruch-Hypothese: Bruch an einer Störung

• Epizentrum

• Erdbebenherd

Der Bruch beginnt am Erdbebenherd, breitet sich auf der Störungsfläche konzentrisch aus und nach allen Seiten werden seismische Wellen abgestrahlt -> In den Gesteinen beiderseits der Störung setzt die elastische Rückformung aus ihrem deformierten Zustand ein -> Bruchfront breitet sich auf Störungsfläche aus, dadurch werden Spannungen abgebaut und beiderseits der Störung kommt es zur Rückformung -> es breiten sich weiterhin seismische Wellen in alle Richtungen aus -> Bruch hat sich über die gesamte Länge der Störungsfläche ausgedehnt und die Bewegung an diesem Abschnitt der Störung endet, doch kann sich der Bruchvorgang an anderen Bereichen der Störung weiter ausbreiten

• Da an potentiellen Erdbebenherden unteschiedliche Verhältnisse herrschen, können sich Spannungen rasch oder weniger rasch aufbauen. Auch der Reibungswiderstand der Störung kann sich im Laufe der Zeit verändern. Dadurch kommt es in unregelmäßigen Abständen zu Erdbeben, die jeweils unterschiedliche Versatzbeträge aufweisen

• Es existieren Vorbeben und Nachbeben (Nachbeben noch über viele Jahre hinweg bei Magnitude 7 und können großen Schaden anrichten)

Erforschung von Erdbeben:

Seismographen sind Maschinen, die die seismischen Wellen von Erdbeben aufzeichnen.

• vertikale Bodenbewegungen

• horizontale Bodenbewegungen

Typen seismischer Wellen:

• P-Wellen (Primärwellen)

  P-Wellen sind Kompressionswellen/Longitudinalwellen

• S-Wellen (Sekundärwellen)

  S-Wellen breiten sich mit etwa der halben Geschwindigkeit der P-Wellen aus, sie sind ransversal- oder Scherwellen. Jedes Bodenteilchen bewegt sich senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung. Können sich nur in Festkörpern ausbreiten

• Oberflächenwellen breiten sich entlang der Erdoberfläche aus, da sie für ihre Ausbreitung eine freihe Oberfläche benötigen.

o Love-Wellen: Untergrund bewegt sich seitwärts ohne vertikale

Bewegungskomponente.

o Rayleigh-Wellen: Untergrund bewegt sich in einer retrograd-elliptischen Bahn

Lokalisierung des Epizentrums:

Ankunftszeiten der P- und S-Welle an mindestens 3 Seismographen -> Diagramm der zurückgelegten Strecke gegen die Laufzeit

1. Seismische Wellen breiten sich vom Erdbebenherd konzentrisch nach allen Seiten aus und erreichen entfernt liegende Erdbebenstationen zu unterschiedlicher Zeit

2. Trägt man in einem Diagramm die Epizentralentfernung gegen Laufzeit auf, erhält man eine Laufzeitkurve. Der Abstand zwischen P- und S-Welle wird immer größer

3. Durch Vergleich der beobachteten Laufzeitdifferent mit entsprechenden Abstand der P- und S-Wellen kann die Entfernung zwischen Station und Epizentrum ermittelt werden

4. Schlägt man auf einer Karte um jede Erdbebenstation jeweils einen Kreis, dessen Radius dem aus der Laufzeitkurve berechneten Stationsabstand entspricht, liegt das Epizentrum im Schnittpunkt der Kreise

Bestimmung der Störungsmechanismen aus seismischen Daten:

• Muster der Bodenbewegung (erste Bewegung der P-Wellen)

• Orientierung des Bruchs

• Bewegungsrichtung am Versatz

Störungsmechanismen verraten die Art der Störung: Aufschiebung, Abschiebung, Horizontalverschiebung

Erdbeben und Plattentektonik:

• divergierende Plattengrenzen: Flachherdbeben an Abschiebungen und bei Transformstörungen an Horizontalbewegungen gebunden

• Transformstörungen

• konvergierende Plattengrenzen: Große Flachherdbeben an Überschiebungen im Bereich der Plattengrenzen, in der abtauchenden Platte kommt es zu Beben mittlerer Herdtiefe. In der abtauchenden Platte kommt es außerdem zu Tiefherdbeben

• Intraplatten-Erdbeben

Wie Erdbeben Schaden anrichten:

‣ Verwerfung und Beben

‣ Erdrutsche und Bodenverflüssigung

‣ Tsunamis

‣ Brände

Verminderung von Erdbebengefahren

‣ Regelung der Bodennutzung

‣ Charakterisierung der Gefährdung und angemessene Notfallpläne

‣ erdbebensicheres Bauen

‣ Entwicklung von Erdbeben- und Tsunamiwarnsystemen

‣ Beurteilen und Kartieren seismischer Gefahren und Risiken

Das Erdinnere:

1. Das Zentrum der Erde liegt in fast 6400 km Tiefe unter uns. Das tiefste Bohrloch ist etwa 10 km tief.

2. Die Hitze im Inneren der Erde ist der Antrieb für den Geodynamo des Erdkerns und der Mantelkonvektion.

3. Das Erdinnere wird mit seismischen Wellen untersucht, die sich durch die Erde ausbreiten

Seismische Wellengleichung:

Ausbreitung seismischer Wellen funktioniert über Brechung von Wellen, Schattenzonen (P- und S- Wellen) und Reflektion an Grenzen zwischen Schichten

(a) Ausbreitung der P-Wellen im Erdkörper. Die gestrichelten blauen Linien zeigen die Ausbreitung der Wellenfronten durch das Erdinere in Zwei-Minuten-Intervallen. Die Entfernungen sind in Winkelabständen, ausgehend vom Erdbebenherd, angegeben. Die Schattenzone für P-Wellen erstreckt sich über einen Winkelbereich von 105° bis 142°. Die P-Wellen erreichen innerhalb dieser Zone die Oberfläche deshalb nicht, weil sie beim Eintritt in den Kern und beim Verlassen des Kerns abgelenkt werden

(b) Die größere Schattenzone der S-Wellen erstreckt sich über einen Winkelbereich von 105° bis 180°. Obwohl die S-Wellen auf den Kern auftreffen, können sie sich im flüssigen Äußeren Kern nicht ausbreiten; sie fehlen daher in einem Winkelbereich von über 105° vom Erdbebenherd aus gemessen.

Mithilfe von Reflektionsseismik kann der Untergrund, z.B. die obere Erdkruste erforscht werden.

Zusammensetzung und Aufbau des Erdinneren:

Seismologisches Model der Erdschichten

• Kruste und Lithosphäre

• Asthenosphäre

• Mantel mit Phasenumwandlung in 400 and 660 km Tiefe

• Kern-Mantel-Grenze

• Kern (innerer und äußerer)

Erdschichten kann aus seismischen Daten abgeleitet werden:

• Von Lithosphäre bis zum unteren Mantel nimmt die S-Wellen Geschwindigkeit zu: im Äußeren Kern keine S-Wellen, da Scherwellen nicht durch Flüssigkeiten dringen können. Wieder S-Wellen im Inneren Kern

Temperatur im Erdinneren:

Wärmefluß durch das Erdinnere

• Konduktion (Lithosphäre) = Wärmeleitung

  • erfolgt dadurch, dass Atome und Moleküle bei ihren thermisch angeregten Bewegungen gegeneinander stoßen und somit auf mechanischem Bewege die Bewegungsebergie von den wärmeren Bereichen zu den kälteren weitergeben

• Konvektion (Mantel und Kern)

  • Wenn ein Fluid erwärmt wird, dehnt es sich aus und steigt nach oben, weil seine Dichte geringer ist als die des umgebenden Materials. In den von dem aufsteigenden Fluid gewissermaßen frei gemachten Raum strömt kaltes Material nach, das nun seinerseits erwärmt wird, sodass ein Kreislauf entsteht.

  • Effizienter als durch Wärmeleitung

Geothermischer Gradient:

‣ normal: (continents) 20 - 30 °C/km

‣ 1300 - 1400 °C an der Basis der Lithosphäre

‣ 3000 - 5200 °C und mehr im Kern

Räumliches Bild des Erdmantels:

Bei der seismischen Tomographie werden die Laufzeiten vieler Erdbeben, die von zahlreichen Seismographen aufgezeichnet werden dazu verwendet, um dreidimensionale Bilder des Erdinneren zu erzeugen. Ein tomographischer Schnitt durch die Erde zeigt heiße Regionen, wie etwa einen großen Manteldiapir, der unter Südafrika vom Erdkern aufszeigt und kältere Gesteine, wie etwa die Reste, der unter der Nordamerikanischen Platte abtauchenden Farallon-Platte. Bereiche, in denen sich S-Wellen rascher ausbreiten sind relativ kalte Gesteine mit höherer Dichte. Gebiete, die von S-Wellen langsamer durchlaufen werden sind heißere Gesteine mit geringerer Dichte.

Extremfall: Flüssigkeiten

1) In der Nähe der Erdoberfläche verlangsamen heiße Gesteine in der Asthenosphäre die S-Wellen, erkennbar an der roten Farbe (warme Gebiete) im Bereich der spreading Zentren

2) In den tieferen Bereichen erkennt man die kalte Lithosphäre der konsolidierten Kratone (blau/violett)

3) Tiefer im Mantel stimmen die Strukturen nicht mehr mit den Kontinenten überein4) In der Nähe der Kern/Mantel-Grenze zeigt die Geschwindigkeitsverteilung der S-Wellen kalte Gebiete. Gebiete um den Pazifischen Ozean, die als Friedhöfe der abtauchenden Lithosphärenplattem gedeutet werden

• Ein Gravimeter misst das Schwerefeld der Erde mit 𝐹 =𝐺𝑚1𝑚2/𝑟^2

Das Geoid: Die Form des Planeten Erde; eine Äquipotenzialfläche, die in einer bestimmten Höhe im Bezug zur Erdoberfläche verläuft und überall senkrecht zur lokal herrschenden Gravitaion ausgerichtet ist. Bezugshöhe ist der Meerespiegel

Das Erdmagnetfeld und der Geodynamo:

Das Dipolfeld der Erde: Komplexität des Magnetfelds

• Nicht-Dipol-Feld

• Säkularvariation

• Umkehr des Magnetfelds

Der magnetische Nordpol verändert sich mit der Zeit, das Magnetfelf kann sich umkehren Paläomagnetismus: Aufzeichnung der Magnetisierung:

‣ thermoremanente Magnetisierung

‣ Detritus-Remanenz:

Die zusammen mit anderen Sedimenten in die Ozeane transportierten magnetischen Minerale werden beim Absinken durch die Wassersäule entsprechend dem herrschenden Magnetfeld eingeregelt. Diese Ausrichtung wird im diagenetisch verfestigten Gestein überliefert, das somit eine Aufzeichnung der Feldrichtung während der Ablagerung bewahrt

‣ Magnetostratigraphie

Verwitterung und Erosion:

1. Verwitterung produziert alle Böden, Tone, Sedimente und gelöste Substanzen.

2. Erosion ist die Abtragung von Gestein durch natürliche Prozesse, wie Wind und Flüsse.

3. Massenbewegung ist die hangabwärts gerichtete Bewegung von Erdmaterial.

• Verwitterung ist der Hauptprozess des Gesteinskreislaufs, der Gestein in ein Sediment umwandelt und Böden bildet.

• Erosion und Massenbewegungen sind Prozesse die Gesteine und Böden lockern und hangabwärts bewegen

Eigenschaften des Ausgangsgestein

• verschiedene Minerale verwittern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten

• Die Struktur eines Gesteins bestimmt die Anfälligkeit zur Rissbildung und Zerkleinerung.

Andere wichtige Faktoren sind: Klima (Regen u. Temperatur), Bodenbedeckung (vorhanden oder nicht), Zeit (Dauer an des Freiliegens), Vegetation/Biota

Chemische Verwitterung:

Chemische Verwitterung tritt auf, wenn Minerale mit Luft und Wasser reagieren

• die Rolle des Wassers (Hydrolyse)

• Kohlendioxid (Kohlensäure)

• Böden

Verwitterung von Kalkstein: H2CO3 + CaCO3 ↔ Ca(HCO3)2

Zerfall von Granit:

1. Granit besteht aus zahlreichen Mineralen, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit verwittern

2. Beginnende Rissbildungen an den Korngrenzen. Feldspat, Biotit und Magnetit beginnen zu verwittern, Quarz ist stabil

3. Die Verwitterung schreitet fort, Risse öffnen sich, der Kornverband wird gelockert und das Gestein zerfällt

-> Führt zu einer deutlich vergrößerten Oberfläche: Große Steine besitzen im Verhältnis zu ihrer Masse eine geringe Oberfläche, die der chemischen Verwitterung ausgesetzt ist, als kleinere Gesteinsbruchstücke, daher verwittern diese rascher.

Die Rolle von CO2:

1. Bei der Verwitterung kommt es zu Wechselwirkungen zwischen Klima und Lithosphäre

2. Schwankungeb des Kohlenstoffdioxid-Gehalts in der Atmosphäre führem zu entsprechenden Schwankungen

der Verwitterungsgeschwindigkeit

3. Bei Verwitterung von Silicaten wie beispielsweise Feldspat, wird der Atmosphäre Kohlendioxid entzogen

4. Bei Vulkanausbrüchen gelangt CO2 in die Atmosphäre

5. Kohlendioxid löst sich in Wasser unter Bildung von Kohlensäure

6. Die Kohlensäure dissozooert unter der Bildung von Wasserstoff-Ionen und Hydrogencarbonationen

7. Die HCO3- Ionen reagieren mit Feldspat, dadurch verwittert dieser zu Kaolinit und Kieselsäure, wobei HCO3- Ionen und Kalium-Ionen freigesetzt werden

Physikalische Verwitterung:

Welche Faktoren bestimmen die mechanische Zerstörung der Gesteine?

‣ natürliche Schwächezonen

‣ Tätigkeit von Organismen

‣ Frostsprengung

‣ Exfoliation

Physikalische Verwitterung und Erosion

‣ Dauer der Verwitterung

‣ Gesteinsart

‣ Klima

‣ Topographie

Boden: Rückstand der Verwitterung;

Im gesamten Bodenprofil kommt es zu Translokations und Transformationsprozessen

• Translokationsprozesse: Innerhalb des gesamten Bodenprofils kommt es zur Verlagerung von Mineralen, Partikeln und Bodenaggregaten

• Transformationsprozesse: Andere Minerale, wie beispielsweise Carbonate, werden in den Porenräumen des Bodens aus der Bodenlösung ausgefällt

Paläoböden beschreiben das Klima der Vergangenheit, geben Hinweis aud frühere Zusammensetzung der Atmosphäre und der Geschichte der Erosion

Massenbewegungen:

• umfassen alle Prozesse, die Gesteins- und Bodenmassen hangabwärts bewegen

• findet statt, wenn die Schwerkraft größer wird als die Festigkeit des Materials

Drei Hauptfaktoren:

‣ Eigenschaften des Hangmaterials

• Lockermaterial

‣ Sand und Silt

‣ Gesteinsfragmente, Sand, Silt und Ton

‣ Wassergehalt

‣ Neigung und Stabilität

Auslöser von Massenbewegungen:

• Erdbeben

• Regen und Sickerwasser

• Überlastung

Klassifikation von Massenbewegungen: Drei Parameter

• Eigenschaften des Materials (Fest- oder Lockergestein)

• Geschwindigkeit

• Art der Bewegung (Fließen, Rutschen, Fallen)

Bewegungen von Festgestein:

• Berg-oder Felsstürze

• Bergrutsch

• Steinlawinen

  
  

Bewegungen von Lockergestein:

‣ Bodenkriechen

‣ Solifluktion

‣ Schuttstrom

‣ Schlammstrom

‣ Schuttlawine/Mure

‣ Rutschung

‣ Schuttrutschungen

Flüsse:

1. Fließgewässer und Flüsse sind geologische Hauptfaktoren in der Landschaftsveränderung.

2. Flüsse sind große Äste eines Flusssystems.

3. Das Fließen wird durch Wechselwirkungen der Plattentektonik mit dem Klimasystem beeinflusst

Formen von Fließgewässern und Flusssystemen:

Drei Hauptbestandteile eines Flusses:

1. Flusstal (Talhänge)

2. Fließrinne im Talboden

3. Talaue und Überflutungsebenen

Arten von Flussläufen:

• Mäander: wenig Sedimentfracht, geringe Geschwindigkeit

• Prall- und Gleithänge

• Altwasserseen

• Verflochtene Flüsse (braided river): viel Sedimentfracht, hohe Geschwindigkeit Variabilität

Mäandrierende Flüsse:

Bei geringer Geschwindigkeit des Flusses und wenig Sedimentfracht bilden sich Mäander

-> Außen ist die Fließgeschwindigkeit höher, wodurch der Prallhang erodiert wird. Dagegen wird innen am Gleithang Sediment abgelagert, es bilden sich Uferbänke

-> Die Flussschleifen kommen sich näher und die Gleithänge wachsen

-> Bei einer großen Flut verbinden sich die Schleifen und ein Altwasserarm (=Oxbow lake) bleibt zurück

Verflochtene Flüsse:

Benutzen unter natürlichen Bedingungen nicht nur eine, sondern mehrere Fließrinnen, die sich ähnlich wie ein geflochtener Haarzopf verzweigen und dann wieder zusammenfließen, hohe Sedimentfracht und leicht erodierbare Ufer

Die Talaue:

• feinkörnige Sedimentschichten

-> landwirtschaftliche Ressource

• natürliche Dämme

Wasserscheide und Einzugsgebiet

1) ein dendritisches Entwässerungsnetz erinnert an die gleichmäßigen Verzweigungen eines Baums, typisch für Gebiete mit homogenen unterlagernden Gestein z.B. auf horizontal lagernden Sedimenten/massigen Magmatiten

2) ein rechtwinkliges Entwässerungssystem entwickelt sich auf stark zerklüftetem Festgestein, die Flussabschnitte folgen dem Kluftmuster. Auf intensiv verwittertem Gebiet.

3) ein spalierartiges Entwässerungssystem entwickelt sich in den Gebieten mit Tälern und Höhenrücken, in denen Gesteine unterschiedlicher Verwitterungsstabilität zu Sätteln und Mulden aufgefaltet sind. Höhenrücken aus verwitterungsstabilen Gesteinen. Auch in deformierten Gebieten.

5) Radiale Entwässerungssysteme entwickeln sich an Hängen höherer Berge und sind typisch für große erloschene Vulkane.

Erosion durch fließendes Wasser:

• rückschreitende Erosion

• Abrasion: Strudeltöpfe

• Plucking

• chemische und physikalische Verwitterung

• Unterschneiden durch Strömungen

Fließarten und Sedimenttransport:

- laminar: Stromlinien verlaufen parallel, ohne sich zu kreuzen oder zu vermischen bei langsamerer Fließgeschwindigkeit

- turbulent: Stromlinien kreuzen und vermischen sich, Strudel und Wirbel entstehen, bei hoher Reynolds-Nummer (𝑅 =𝜌𝑣𝐷𝐻/𝜇 )

Faktoren, die Fließart bestimmen:

- Geschwindigkeit

- Tiefe: Geometrie des strömenden Mediums(schichtdicke)

- Viskosität

Erosion und Sedimenttransport

‣ Suspensionsfracht

‣ Boden-, Geröllfracht

Kompetenz und Transportkapazität

‣ Geschwindigkeit

‣ Volumen

Fluviatiler Sedimenttransport:

1. Der fluviatile Sedimenttransport beruht auf dem Zusammenspiel von Hydrosphäre und Lithosphäre

2. Eine über eine Schicht von Kies, Sand, Ton und Silt fließende Strömung transportiert eine aus feinkörnigem Material bestehende Suspensionsfracht

3. Und eine grobkörnige Bodenfracht, die durch Gleiten und Rollen mitgeführt wird.

4. Nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu, erhöht sich auch die Menge der mitgeführten Suspensionsfracht

5. Und die auf die Flusssohle ausgeübte Scherkraft führt zu einer erhöhten Bodenfracht

6. Der Transport der gröberen Sedimentkomponenten erfolgt durch Saltation, der hüpfenden und springenden Bewegung am Flussbett

7. Ganz allgemein springen kleinere Partikel höher und werden weiter verfrachtet als größere

Deltas:

Ort, wo Flüsse in Seen oder ins Meer einmünden – Strömung verlangsamt sich Deltasedimentation an verschiedenen Orten:

1) Deltaebene

2) Deltafront

3) Deltafuß

Einige Strömungen fließen den Deltahang hinab und am Meeresboden entlang. Nimmt deren Geschwindigkeit ab, lagern sie ihre Sedimentfracht am Meeresboden ab. Einige Strömungen fließen in flaches Wasser aus. Nimmt ihre Geschw. ab, kommt die Sedimentfracht im Flachwasser zur Ablagerung.

Strömungsverhalten:

Abfluss: 𝑄 = 𝐴 ∙ 𝑣

Auswirkungen von Nebenflüssen: Der Abfluss vergrößert sich flussabwärts

-> Fluss mit kleiner Querschnittsfläche und Strömungsgeschwindigkeit hat geringeren Abfluss als Fluss mit größerer Fläche und Geschw.

Wasserführung einiger großer Flüsse:

• Amazonas, Südamerika: 175000 m3/s

• Rio de la Plata, Südamerika: 79300 m3/s

• Kongo, Afrika: 39600 m3/s

• Rhein: 2330 m3/s

• Neckar: 136 m3/s

Fließgewässer als Geosystem:

Flüsse beginnen dort, wo durch Niederschläge oder abtauenden Schnee genügend Wasser zur Verfügung steht, das an der Oberfläche abfließt und sich in einem Netzwerk von immer größer werdender Fließrinnen sammelt.

Wo harte Gesteine der Erosion Widerstand leisten oder wo das Flussbett an Störungen versetzt ist, entstehen Wasserfälle.

Im Oberlauf der Flüsse sind Hänge steil und nur die gröbsten Sedimente werden abgelagert. Das feinerkörnige Sedimentmaterial wird ausgewaschen und flussabwärts abgelagert.

Nimmt das Gefälle ab, vermindert sich die Transportkraft und große Sedimentmengen werden abgelagert. Dadurch entstehen verzweigte Fließrinnen.

Lokale Hebungsvorgänge oder ein Rückgang der Sedimentanlieferung führt zur Erosion bereits abgelagerter Sedimente und als Folge zur Bildung von Flussterrassen.

Nimmt das Gefälle weiter ab, bildet der Fluss Mäander. Die gröberkörnigen Sedimentanteile werden an der Sohle der Fließrinne abgelagert.

Uferwälle ermöglichen den Transport des Flusswassers und Sedimentmaterials in das Delta- Werden Uferwälle jedoch bei Hochwasser überflutet oder brachen, wird auf den umgebenden Gebieten Sediment abgelagert.

Mündet der Fluss in ein Ozean, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit ab und das Sedimentmaterial kommt in Form eines Deltas zur Ablagerung.

Im Bereich des Deltas kommt es durch Kompaktion der älteren, bereits abgelagerten Sediment, jedoch auch durch tektonische Vorgänge zur Subsidenz.

Das Längsprofil eines Flusses wird beschrieben durch das Gleichgewicht zwischen Eintiefung und Sedimentation und

wird von 5 Faktoren bestimmt:

‣ Topographie: Reliefunterschied (einschließlich dem Gefälle)

‣ Klima

‣ Strömung (Q und v)

‣ Widerstand des Gesteins gegen Verwitterung und Erosion

‣ Sedimentfracht

-> Alle Flüsse zeigen in ihrem Längsprofil dieselbe Form: starkes Gefälle im Oberlauf und ein geringeres Gefälle später.

Hochwasser: Wiederkehrzeit ist abhängig von: Klima, Breite der Talaue, Größe des Flussbetts

Orte, wo sich Flüsse schnell an wechselnde Bedingungen anpassen:

Schwemmfächer und Flussterrassen

Auswirkungen eines Damms auf das Flussprofil:

Aufstauen des Sees -> Der Fluss lagert mitgeführtes Sediment im Stausee ab; dadurch nimmt das Gefälle oberhalb der Staumauer ab, das Längsprofil wird flacher -> im Auslauf der Staumauer wird das Flussbett erodiert und vertieft. Ein steileres Längsprofil entsteht

Gletschertypen:

Man unterscheidet zwei wesentliche Typen:

• Talgletscher: Eisströme, die sich in kalten Höhenlagen der Gebirge bilden und in Tälern abwärts fließen

• Inlandeismassen: mächtige, extrem langsam sich bewegende Eisdecken, die ausgedehnte Bereiche eines Kontinents oder einer Landmasse überdecken (Grönland, Arktis)

Entstehung der Gletscher:

Gletscher entstehen dort, wo das Klima so kalt ist, dass der Schnee im Sommer nicht abschmilzt, sondern sich ansammelt und durch Umkristallisation zu Firn und schließlich zu Eis wird.

Wenn sich Schnee anreichert, wird das darunterliegende Eis immer dicker, das geschieht sowohl im Gebirge am oberen Ende von Talgletschern, als auch in den Zentren von Inlandseismassen.

Die Eismächtigkeit nimmt so lange zu, bis das Eis schließlich so schwer wird, dass es unter dem Einfluss der Schwerkraft bergab gleitet.

Gletscher puffern Süßwasserversorgung bspw. Hochland von Tibet

Wachstum und Rückzug der Gletscher:

• Gletscher verlieren Eis durch Abschmelzen, Kalben, Sublimation und Winderosionen.

• Das Verhältnis von Ablation zu Akkumulation wird als Gletscherhaushalt bezeichnet.

• Wenn Akkumulation = Ablation, bleibt die Größe des Gletschers konstant.

• Ablation > Akkumulation; Gletscher zieht sich zurück

• Akkumulation > Ablation: Gletscher dehnt sich aus

Was lässt Eis in Antarktis schmelzen? 50% Eisbrechen: Schmelzen durch den Ozean

Bewegung der Gletscher:

• Gletscher bewegen sich durch eine Kombination von Gleitvorgängen an der Gletschersohle und plastischem Fließen im Gletscherinnern.

• In sehr kalten Gebieten dominiert das plastische Fließen, da dort die Gletschersohle am Untergrund festgefroren ist.

• Im wärmeren Klima sind Gleitvorgänge vorherrschend, weil das Schmelzwasser an der Basis des Gletschers gewissermaßen als Gleitmittel dient und damit die Bewegung der Eismassen über das Gestein erleichtert.

Glaziale Formung der Landschaft:

• Die Erosionswirkung der Gletscher beruht auf dem Abschürfen und Herauslösen des unterliegenden Gesteins sowie dem Zermahlen der aufgenommenen Komponenten zu Korngrößen zwischen Blöcken und Ton.

• Talgletscher erodieren in ihrem Entstehungsgebiet Kare, Karlinge und Felsgrate: Auf ihren Fließstrecken schürfen sie U-förmige Trog- und Hängetäler aus, Fjorde entstehen, wo Gletscher an Küsten in Ozeane münden und ihre Täler unter den Meeresspiegel eintiefen.

• Gletschereis besitzt die Fähigkeit, große Sedimentmengen sämtlicher Korngröße aufzunehmen und mit sich zu führen, wobei es riesige Mengen vortransportiert. Dieses Material wird beim Abschmelzen des Gletschers wieder freigesetzt.

• Charakteristische durch Gletscher entstandene Landformen sind Moränen, Drumlins, Kames, oder und Sölle.

• Abrasion: kleine Kratzer, erfordert mitgerissenes Gestein, vor allem auf stoß-Seite

• Plucking, Quarrying: große Blöcke, erfordert subglaziales Wasser, vor allem auf der Lee-Seite

Permafrost:

Permafrost entsteht dort, wo in kalten Gebieten die Sommertemperatur nicht hoch genug ist, um mehr als eine dünne Oberflächenschicht der Böden aufzutauen.

Schichtenfolge und Eiszeiten in der Erdgeschichte:

Während der pleistozäen Bereisungen gab es mehrere Vorstoßphasen/Rückzugsphasen von Inlandeismassen in den mittleren Breiten.

Wie misst man die Massenänderungen von Gletschern?

• vorher: Eisdicke mit Schallwellen, Oberflächenänderung mit Laser und Radar mit Satelliten

• jetzt: Gravimetrie. Problem: Änderungen könnte auch durch Material im Mantel bedingt sein

Klima:

• Das Klima beschreibt die durchschnittlichen Oberflächenbedingungen und deren Variation während täglichen, jährlichen und Langzeit-Zyklen der Sonneneinstrahlung.

• Das Klimasystem umfasst alle Teile der Erde und alle Wechselwirkungen in Raum und Zeit.

• Klima= Wechsel des mittleren Ablaufs der Witterungserscheinungen

• =langzeitiger, statischer Ablauf von Witterungserscheinungen (Temperatur, Luftdruck, Niederschlag, Bodenfeuchte, Abfluss, Wolkenbildungen, Windaktivitäten, Luft- und Ozeanströmungen)

• Unterscheidung zwischen Variabilität, Periodizität, Durchschnittstemperatur

Komponenten des Klimasystems:

• Atmosphäre: 78 % Stickstoff, 21% Sauerstoff, Argon, Wasser, CO2, andere Treibhausgase

• Kryosphäre: Gletscher, Schneedecke, Indlandeis, Meereis; Eis-Albedo Rückkopplung

• Wärmestrahlung der Sonne

• Hydrosphäre: Ozeane, Seen/Flüsse/Grundwasser

• Lithosphäre

• Biosphäre: Pflanzen, Tiere, Mikroorganismen: Vegetation -> geringere Albedo

Lithosphäre

• die Landoberfläche absorbiert Sonnenenergie und gibt sie wieder ab

• die Topographie beeinflusst Wind und Regenverteilung

• die Geographie beeinflusst Meeresströmungen: Schließung tropischer Verbindungen und Öffnung zirkumantarktischer Verbindung -> Bildung der Eiskappen

• der Vulkanismus beeinflusst die Zusammensetzung und den Staubgehalt der Atmosphäre -> Magmatische Entgasungen und Staubpartikel erhöhen Albedo

Der Treibhauseffekt:

Die Strahlung der Sonne

‣ ~ 45 % als sichtbares Licht

‣ ~ 45 % als infrarote Strahlung

‣ ~ 10 % als ultraviolette Strahlung

• jährliche Energie = 342 W/m2

• der Planet absorbiert genau diese Menge und strahlt sie auch wieder ab, dadurch wird das Gleichgewicht gehalten

• Die aus dem Erdinneren an die Oberfläche gelangende Wärmeenergie ist deutlich geringer und liegt im Mittel bei 0,06 W/m2

–> Daher muss von der Erde dieselbe Menge in den Weltraum abgegeben werden

• Die Albedo = Sonnenenergieanteil, der von Wolken und Oberfläche reflektiert wird, Rest wird absorbiert

Erde ohne Treibhausgase:

• Treibhausgase (Wasserdampf, Methan, Kohlendioxid) fangen die Sonnenenergie zum Teil ein

• ohne diese Gase würde die Sonnenenergie komplett wieder in den Weltraum zurückgestrahlt werden

• Treibhausgase machen unseren Planeten mindestens 33 °C wärmer als er ohne Treibhausgase sein würde

• Treibhausgase verwandeln langwellige Rückstrahlung in Wärmeenergie (Infrarotstrahlung)

• Treibhausgase lassen die kurzwellige Strahlung ungehindert durch die Atmosphäre zur Erdoberfläche passieren und absorbieren dagegen stark die langwellige Wärmestrahlung der Erdoberfläche und der Atmosphäre

• Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas (60-80% des natürlichen Treibhauseffektes, da es in breitem Wellenlängenbereich langwellige Strahlung aufnehmen kann

• Wasserdampf-Rückkopplung ist die wahrscheinlich größte Unsicherheit zur Klimavorhersage, wie auch Wolkenbildung

Rückkopplungen:

• Wasserdampf-Rückkopplung: Ein Temperaturanstieg führt in der Atmosphäre aufgrund der höheren Verdunstung zu einer Zunahme des Wasserdampfgehalts. Da Wasserdampf ein Treibhausgas ist, verstärkt diese Zunahme den Treibhauseffekt und dadurch steigt die Temperatur weiter an –> eine positive Rückkopplung.

• Albedo-Rückkopplung: Ein Temperaturanstieg vermindert in der Kryosphäre die Akkumulation von Eis und Schnee. Dadurch nimmt die Albedo ab, was eine verstärkte Absorption der Sonnenstrahlung nach sich zieht und damit zu einer weiteren Erwärmung führt –> ein anderes Beispiel einer positiven Rückkopplung.

• Strahlungs-Rückkopplung: Ein Temperaturanstieg in der Atmosphäre führt zu einer erheblichen Zunahme der als Infrarotstrahlung in den Weltraum abgegebenen Energiemenge. Dies verringert den Temperaturanstieg –> eine negative Rückkopplung, die das Klima der Erde gegenüber größeren Veränderungen stabilisiert und verhindert, dass die Ozeane gefrieren oder sich übermäßig erwärmen und somit die gleichmäßigen Umweltbedingungen für aquatische Lebensformen erhalten bleiben.

• Biotische Rückkopplung: Eine Zunahme des CO2-Gehalts in der Atmosphäre fördert das Pflanzenwachstum. Durch verstärktes Wachstum wird der Atmosphäre CO2 entzogen und in kohlenstoffreiche organische Substanzen umgewandelt. Damit verringert sich der Treibhauseffekt –> eine negative Rückkopplung.

Klimaschwankungen:

• Kurzfristige, lokale Schwankungen: El Niño, La Niña; Pazifische Temperaturanomalien entlang des Äquators

• In normalen Jahren ist Oberflächenwasser im Westpazifik vor Indonesien sehr warm -> erzeugt dort ein Tiefdruckgebiet mit heftigen Gewittern und hohen Niederschlägen.

  Ursache: Passatwinde von Osten nach Westen, die die erwärmten Wassermassen nach Westen schieben -> gleichzeitig steigt vor der Westküste Südamerikas kaltes Tiefenwasser auf und fließt nach Westen ab -> periodisch kommt es bei El Niño zu einer Umkehr des Systems: warmes Wasser breitet sich nach Osten aus -> Westpazifik erhält kaum Niederschläge -> Im östlichen Pazifik herrscht niedriger Luftdruck, was im Westen Südamerikas zu hohen Niederschlägen führt und Aufstieg von kaltem Tiefenwasser verhindert -> La Niña bedeutet kältere Oberflächentemperaturen und kräftige Passatwinde im Ostpazifik

• Klimaschwankungen in der Vergangenheit: lange, globale Warmzeiten ↔ kalte Zwischenzeiten: Eiszeiten

• Eiszeiten des Pleistozäns: Würm/Weichsel-Eiszeit, drei weitere Vereisungen in Mitteleuropa und zwischengeschaltete, interglaziale Eiszeiten

• In den vergangenen 10000 Jahren – im Holozän – war das Klima vergleichsweise warm und stabil

• Ältere Eiszeiten: Permokarbon, Ordovizium, Proterozoikum (mehrmals)

Milankovitch-Zyklen

Die pleistozänen Wechsel zwischen Glazial und Interglazial werden am besten durch diese Theorie erklärt.

• Exzentrizität (100’000 Jahre): Erdumlaufbahn um die Sonne (Stark elliptisch↔ weniger elliptisch)

• Obliquität: Neigung der Erdachse (41’000 Jahre)

• Präzession (23’000): Kreiselbewegung, trudeln der Erde

• Exzentrizität beeinflusst Energiemenge, Obliquität und Präzession nur die Energieverteilung

• Präzession und Exzentrizität besonders in äquatornähe wirksam, Obliquität vor allem in den hohen Breiten

Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre

• 280 ppm vor der industriellen Revolution

• 370 ppm im Jahr 2000

• 400 ppm im Jahr 2016

• sollte eigentlich höher sein - der Kohlenstoff wird auf irgendeine Weise entzogen:

  • Gasaustausch Atmosphäre-Ozean

  • Photosynthese und Atmung in der terrestrischen Biosphäre

  • organischer Kohlenstoff in gelöster Form

  • Carbonatverwitterung und Carbonatfällung

Die gegenwärtige Erwärmung korreliert mit der Zunahme des CO2-Gehalts in der Atmosphäre, die beide eine Folge der Emissionen seit Beginn der Industriellen Revolution im 19. Jahrhundert sind. Der Maximalwert ist eindeutig anormal, verglichen mit dem Klimaverlauf, der für das vergangene Jahrtausend dokumentiert ist

• In Bereichen intensiver Krustenbewegungen -> Orogenbereich

• 5-6 km Tiefe

• Druck + Temperatur + Durchbewegung

->Dynamische Metamorphose

Ausgangsgestein Basische Magmatite

• Grünschiefer

• Amphibolit

• Granulit

Ausgangsgestein Tonsteine

• Tonschiefer

• Phyllit

• Chloritoid-Schiefer

• Glimmerschiefer

• Paragneis

• Anatexit (Migmatit)

• Granulit

Ausgangsgestein Sandsteine

• Quartzite

Ausgangsgestein Kalkstein

• Marmore

Ausgangsgestein unreine Kalksteine

• Kalkphyllit

• Kalkglimmerschiefer

• Kalksilikatgesteine

Ausgangsgestein saure Magmatite

• Orthogneis / Augengneis

• Anatexit (Migmatit)

Ausgangsgestein Peridotite

• Serpentinit

• Subduktionszonen

• Kaltes Gestein schnell in Tiefe

• Viel Druck, niedrige Temperatur

• statische Metamorphose

• in Umgebung von Plutonen, die in kühleres Gestein eindringen

• hohe Temperatur, niedriger Druck

• Meteoriteneinschläge

• Extrem hoher Druck, hohe Temperatur

• z.B. Suevit

• An MOR

• Kaltes Meerwasser zirkuliert durch heißes basaltisches Gestein

• Neubildung schwach metamorpher Minerale (Chlorit, Albit)

• Na von Wasser zu Gestein

• Ca von Gestein zu Wasser

• -> Spilitisierung

Ausganggesteine: Basische Magmatite

• Glaukophanschiefer (Blauschiefer)

• Eklogit

Ausganggesteine: Tonsteine

• Weißschiefer

Ausganggesteine: Kalksteine

• Marmor

Abhängig von:

• Größe und Art der Intrusion (Hitzequelle)

• Art des Ausgangsgesteins

• Entfernung zur Intrusion

• Anwesenheit von Fluiden

• Intensität von chemischen Austauschprozessen

• Aktive Grabenbrüche entstehen durch aufsteigende heiße Mantelwolken (Hotspots)

• z.B. Ostafrikanischer Graben

• passive Brüche durch externe tektonische Kräfte, etwa Gebirgsbildung

• z.B. Oberrheingraben

30 km - 70km (80km)

5km - 10km (15km)

Die Lithosphäre, die äußere feste Schale der Erde, besteht aus zwei Hauptkomponenten:

• Erdkruste

• lithosphärischer Mantel (auch oberster, fester Erdmantel genannt)

1. Erdkruste (Crust) 

• Definition: Die äußerste, dünnste Schicht der Erde.

• Zusammensetzung: Besteht aus leichten Gesteinen.

  • Kontinentale Kruste: Hauptsächlich Granit, gneisartig, geringere Dichte, ca. 30–70 km mächtig.

  • Ozeanische Kruste: Hauptsächlich Basalt, gabbroid, höhere Dichte, ca. 5–10 km mächtig.

• Untere Grenze: Mohorovičić-Diskontinuität (Moho), die die Grenze zum Erdmantel darstellt.

• Eigenschaft: Fest, spröde, silikate, Al (weniger Magnesium/Eisen). 

• Granitisch/Basaltisch

2. Lithosphärischer Mantel (Lithospheric Mantle) 

• Definition: Der oberste Teil des Erdmantels, der fest und starr mit der Kruste verbunden ist.

• Zusammensetzung: Besteht aus Peridotit, einem dichten, magnesium- und eisenreichen Gestein (chemisch Teil des Mantels).

• Eigenschaft: Trotz der chemischen Zugehörigkeit zum Mantel ist er durch niedrigere Temperaturen starr und "lithosphärisch" (fest).

• Peridotitisch

• Untere Grenze: Die Grenze zur weichen, plastischen Asthenosphäre.

• Untergrenze von Kruste

• Übergang von Kruste zu lithosphärischem Mantel

• Tiefe je nach Art der Kruste (von 5 - 70/80 km)

1. Diagenese während auseinanderbrechen von Kontinent-Massen

   Divergierende Plattengrenzen

   Sediment zu Sedimentgestein

2. Neuer Ozean mit MOR entsteht

   Aus Astenosphäre steigen Magmen auf -> Basalt

   Magma zu Magmatit

3. Subsidenz der Kontinentalen Kruste

   Subsidenz: Absinken der kont. Lithosphäre

   Akkumulation von Sedimenten in Absekungskegel

   Diagenese: Sediment zu Sedimentgestein

4. Subduktion lässt mit Vulkanen durchsetztes Gebirge entstehen

   Abtauchende Platte wird aufgeschmolzen

   Schmelze aus Platte und Mantel steigt als Magma auf

   -> erstarrt als granitisches Intrusivgestein

5. Kontinent-Kontinent-Kollision

   Entstehung von Metamorphiten

   -> Gebirgsbildung -> Niederschlag -> Verwitterung -> Erosion

6. Flüsse transportieren Material von Kollisionszonen zu Ozeanen

   Wird als Sand / Silt abgelagert

   Gehen bei Versenken in Gestein über

   Sediment zu Sedimentgestein

1. …..

• Lithosphäre:

  • Kruste:

    Ozeanische Kruste: 5-10km

    Kontinentale Kruste: 30-70km

  • Kruste + lithosphärischer Mantel:

    Ozeanisch: 50-100km

    Kontinental: 100-200km

• Asthenosphäre: 200-350km

  -> Bis ca. 400km Tiefe

• restlicher oberer Mantel: 250-300km

  -> bis in 650-700km Tiefe

• Unterer Mantel: 2200km

  -> bis in 2900km Tiefe

• Äußerer Kern: 2200-2300km

  -> bis in 5100km Tiefe

• Innerer Kern: 1200-1300km

• lithosphärischer Mantel

• Asthenosphäre

• restlicher oberer Mantel

von 5-70km Tiefe bis in 650-700km Tiefe