Nennen Sie die drei Gruppen der Gesteine und beschreiben Sie diese je in 1-2 Sätzen.
Magmatische Gesteine (Magmatite): Sie entstehen durch das Abkühlen und Erstarren von geschmolzenem Gesteinsmaterial (Magma oder Lava), entweder tief in der Erdkruste als Plutonit (z. B. Granit) oder an der Erdoberfläche als Vulkanit (z. B. Basalt).
Sedimentgesteine (Sedimente): Sie bilden sich an der Erdoberfläche durch die Ablagerung, Schichtung und anschließende Verfestigung (Diagenese) von mineralischen Bruchstücken, organischen Resten oder durch chemische Ausfällung (z. B. Sandstein oder Kalkstein).
Metamorphic Gesteine (Metamorphite): Sie entstehen durch die Umwandlung bereits existierender Gesteine im festen Zustand, ausgelöst durch eine drastische Erhöhung von Druck und Temperatur tief im Erdinneren (z. B. Gneis oder Marmor).
Was beschreibt das Superpositionsprinzip, welches Mitte des 17. Jahrhunderts
begründet wurde?
Das Superpositionsprinzip besagt, dass in einer ungestörten Abfolge von Sedimentgestein die untersten Schichten die ältesten und die obersten Schichten die jüngsten sind. Es wurde Mitte des 17. Jahrhunderts von Nicolaus Steno formuliert und bildet eine der Grundlagen der Stratigraphie.
Was beschreibt das Aktualitätsprinzip, welches Ende des 18. Jahrhunderts begründet
wurde?
Das Aktualitätsprinzip (auch Uniformitarismus) besagt, dass die geologischen Prozesse der Vergangenheit mit denselben physikalischen und chemischen Gesetzen abliefen wie die heutigen. „Die Gegenwart ist der Schlüssel zur Vergangenheit.“ Es wurde Ende des 18. Jahrhunderts von James Hutton begründet und bildet ein Fundament der Geologie.
Zählen Sie die 3 Schalen im chemischen und die 5 Schalen im physikalischen
Schalenbau der Erde auf. Zeigen Sie, wie die chemischen und die physikalischen
Schalen zueinander stehen. Hinweis: Eine Skizze hilft der Verständigung.
Chemischer Schalenbau (nach Zusammensetzung):
1 Erdkruste (kontinental und ozeanisch)
2 Erdmantel (oberer und unterer Mantel)
3 Erdkern (äußerer und innerer Kern)
Physikalischer Schalenbau (nach mechanischen Eigenschaften):
1 Lithosphäre (Kruste + oberster fester Mantel)
2 Asthenosphäre (plastisch verformbar, ermöglicht Plattenbewegung)
3 Mesosphäre (unterer Mantel, zähplastisch)
4 Äußerer Kern (flüssig, Quelle des Magnetfeldes)
5 Innerer Kern (fest)
Beziehung zwischen chemischem und physikalischem Schalenbau:
• Die Lithosphäre umfasst die Kruste + den obersten Teil des Mantels.
• Die Asthenosphäre und Mesosphäre gehören vollständig zum Mantel.
• Der Kern ist sowohl im chemischen als auch im physikalischen Modell enthalten, wobei er physikalisch in einen flüssigen äußeren und einen festen inneren Kern unterteilt wird.
Welches sind die 3 wesentlichen Antriebskräfte für die Plattentektonik? Benennen Sie
diese und zeichnen Sie in einer Skizze, wo und wie diese wirken.
Rückendruck (Ridge Push): Gravitativer Druck, der an Mittelozeanischen Rücken entsteht. Das heiße, aufsteigende Magma bildet ein topographisch erhöhtes Gebirge. Beim Abkühlen erhöht sich die Dichte des Gesteins, und die Lithosphärenplatte rutscht durch die Schwerkraft von der Aufwölbung weg nach außen.
Plattenzug (Slab Pull): Die stärkste Antriebskraft. An Subduktionszonen sinkt eine alte, abgekühlte und dadurch schwere ozeanische Platte in den weniger dichten Erdmantel ab. Das Eigengewicht dieser sinkenden Platte zieht den restlichen Plattenteil kontinuierlich hinterher.
Mantelkonvektion (Mantelwiderstand / Basal Drag): Thermisch angetriebene Umwälzungen im Erdmantel. Heißes Material steigt auf, kühlt unter der Lithosphäre ab, fließt horizontal weiter und sinkt wieder ab. Durch Reibung an der Unterseite der Lithosphärenplatten (viskose Kopplung) werden diese wie auf einem Förderband passiv mitbewegt.
Welche zwei seismischen Körperwellen gibt es? Erklären Sie, was ihr Name
bedeutet.
P-Welle (Primärwelle): Sie ist die schnellste aller Erdbebenwellen und trifft als erste (primäre) Welle am Seismometer ein. Physikalisch ist sie eine Kompressions- oder Longitudinalwelle, bei der sich die Gesteinsteilchen parallel zur Ausbreitungsrichtung vor und zurück bewegen (Druck- und Dehnungsbänder).
S-Welle (Sekundärwelle): Sie ist langsamer als die P-Welle und trifft daher erst als zweite (sekundäre) Welle am Messgerät ein. Physikalisch handelt es sich um eine Scher- oder Transversalwelle, bei der die Gesteinsteilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen (wie ein hin- und hergeschlagenes Seil). Da Flüssigkeiten keine Scherkräfte übertragen können, bewegen sich S-Wellen im Gegensatz zu P-Wellen nur durch Festkörper.
Was ist mit «magnetischen Anomalien» am Ozeanboden gemeint, woher stammen
sie und welche Bedeutung haben sie für die Rekonstruktion der Erdgeschichte?
Mit „magnetischen Anomalien“ am Ozeanboden sind streifenförmige Muster im basaltischen Gestein gemeint, deren Magnetisierung abwechselnd stärker oder schwächer als das heutige normale Erdmagnetfeld ist. Sie verlaufen vollkommen symmetrisch und parallel zu den Mittelozeanischen Rücken (MOR).
Sie entstehen durch das Zusammenspiel von zwei Prozessen:
Seafloor Spreading: An den Mittelozeanischen Rücken steigt kontinuierlich flüssiges, eisenreiches Magma auf und kühlt ab. Beim Unterschreiten der Curie-Temperatur (ca. 580 °C) richten sich die enthaltenen Magnetit-Kristalle wie winzige Kompassnadeln nach dem jeweils herrschenden Erdmagnetfeld aus und frieren in dieser Position ein.
Polumkehrungen (Inversionen): Das Magnetfeld der Erde polt sich in unregelmäßigen Abständen von einigen hunderttausend Jahren um. Da kontinuierlich neue Kruste gebildet und nach außen weggeschoben wird, entsteht auf dem Meeresboden ein permanenter „Magnetband-Rekorder“, der Phasen normaler Magnetisierung (positive Anomalie) und inverser Magnetisierung (negative Anomalie) im Gestein speichert.
Beweis für die Plattentektonik: Die Symmetrie der Streifen lieferte in den 1960er-Jahren (Vine-Matthews-Morley-Hypothese) den endgültigen, unumstößlichen Beweis für das Seafloor Spreading und damit für Alfred Wegeners Theorie der Kontinentalverschiebung.
Altersbestimmung der Ozeane: Da die Zeitpunkte der Magnetfeldumkehrungen (Paläomagnetismus) durch radiometrische Datierungen an Land bekannt sind, fungieren die Streifen als geologische Jahresringe. Man kann mit ihnen das Alter jedes Quadratmeters ozeanischer Kruste exakt bestimmen und die historische Geschwindigkeit der Plattenbewegungen rekonstruieren.
Was ist mit Äquipotentialfläche beim Schwerefeld der Erde gemeint?
Eine Äquipotentialfläche im Schwerefeld der Erde ist eine gedachte oder physikalische Fläche, auf der das Schwerepotential überall exakt denselben Wert besitzt.
Nennen Sie je eine Technik, wie die Geschwindigkeit der Plattentektonik (a) absolut
und (b) relativ bestimmt werden kann.
Technik: Hochpräzises GPS (Global Positioning System) oder VLBI (Very Long Baseline Interferometry).
Funktionsweise: Fest im Gestein verankerte Messstationen auf verschiedenen Kontinenten senden kontinuierlich Signale an Satelliten. Durch den Vergleich der Positionsdaten über mehrere Jahre hinweg lässt sich die absolute Verschiebung der Platten im Raum im Millimeterbereich pro Jahr direkt und in Echtzeit messen.
Technik: Analyse der magnetischen Anomalien auf dem Ozeanboden.
Funktionsweise: Beim Auseinanderdriften zweier Platten am Mittelozeanischen Rücken friert das herrschende Erdmagnetfeld im abkühlenden Basalt ein. Da die Zeitpunkte der historischen Magnetfeldumkehrungen bekannt sind, kann man durch den Abstand der symmetrischen Magnetstreifen berechnen, wie schnell sich die beiden Platten relativ zueinander in der geologischen Vergangenheit wegbewegt haben
Welches sind bei einem Erdbeben die zwei wesentliche Faktoren für dessen Stärke?
Hinweis: Es ist nicht gemeint, mit welchen Messgrößen die Stärke angegeben wird
und auch nicht, aus welchen Daten die Stärke ermittelt wird.
Die Stärke hängt direkt davon ab, wie viel Fläche der tektonischen Störungszone reißt und wie weit sich die beiden Erdplatten dabei gegeneinander verschieben. Das wird mathematisch über das seismische Moment beschrieben:
Größe der Bruchfläche ($A$): Die betroffene Fläche, auf der das Gestein bricht (Länge mal Breite der Bruchzone). Bei Megathrust-Erdbeben kann diese Hunderte Kilometer lang sein.
Betrag des Versatzes ($d$): Die Distanz (in Metern), um die sich die Gesteinsblöcke während des Bebens schlagartig aneinander vorbeibewegen.
Scher- oder Elastizitätsmodul ($\mu$): Dieser Faktor beschreibt den mechanischen Widerstand des Gesteins gegen Scherung (Deformation). Je starrer und fester das Gestein im Bereich der Bruchzone ist, desto mehr elastische Spannung kann es über Jahrhunderte hinweg speichern, bevor es bricht. Wenn dieses extrem feste Gestein schließlich nachgibt, wird schlagartig eine weitaus größere Energiemenge freigesetzt als bei weichem, nachgiebigem Gestein.
Welche vier Hauptwärmequellen der Erde sind bekannt? Benennen Sie diese und
beschreiben Sie je in 1-2 Sätzen. Sie brauchen deren Anteil an der
Gesamtwärmeproduktion nicht anzugeben.
Der kontinuierliche Zerfall langlebiger, instabiler Isotope (hauptsächlich Uran $^{238}U$, Thorium $^{232}Th$ und Kalium $^{40}K$) im Erdmantel und in der Erdkruste setzt thermische Energie frei. Diese Quelle stellt heute den weitaus größten Anteil des anhaltenden globalen Wärmeflusses dar.
Hierbei handelt es sich um die Restwärme aus der Entstehungsphase der Erde vor rund 4,6 Milliarden Jahren. Sie stammt aus der Umwandlung von kinetischer Energie in Wärme, als unzählige Planetesimale und Meteoriten kollidierten und sich zur Proto-Erde verdichteten.
Während der frühen Erdgeschichte sanken schwere Elemente (vor allem Eisen und Nickel) aufgrund der Gravitation in das Zentrum ab, um den Erdkern zu bilden, während leichtere Silikate nach oben stiegen. Durch diese Reibung und den Verlust an potentieller Energie wurde enorme Reibungswärme im Erdinneren freigesetzt.
Die Gravitationskräfte von Mond und Sonne deformieren die Erde kontinuierlich und erzeugen Gezeitenberge im Erdkörper selbst (Earth tides). Die dadurch entstehende innere Reibung bei der Rotation der Erde generiert mechanisch Wärme, die heute allerdings den geringsten Beitrag der vier Quellen leistet.
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