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Geophysik II, Viskose remanente Magnetisierung: Durch lange Einwirkung…
Geophysik II
Magnetik:
Grundlagen:
- Magnetfeld=vektorfeld
- Magnetisierung = Vektor
- Feldlinien
- Dipol stärke: \( m= P \cdot r\), m= Dipolmoment, P= Polstärke und r = Polabstand
- Magnetfeld eines Dipols; Formeln f. 13??
- Inklination = Neigung des Dipolfeldes zur Kugeloberfläche (Breitenabhängig)
- Deklination
- Intensität
- Magnetische Flussdichte im Material: \( B=\mu H, \ \mu=\mu_0 \mu_r = \mu_0 (1+k)\)
- \(\mu_0\) = Permeabilität des Vakuums \(4\pi \cdot 10^{-7}\), \(\mu_r\) relative Permeabilität, k=suszeptibilität~1/Temp
- Magnetisierung im Material: \(M=kH\)
- Diamagnetismus: M \(\iff\) H; Gepaarte Elektronen --> Alle materialien sind Diamagnetisch, Temp abhängig
- Paramagnetismus: \(M \parallel H\); Ungepaarte Elektronen sorgen für spins=magnetische Momente
- Ferromagnetismus: \(M \parallel H\), Remanenz (bleibt auch ohne einfluss magnetfeld); ungepaarte elektronen --> Spins
- Ferromagnetismus (Fe, Ni, Co; Alle gleich ausgerichtet)
- Antiferromagnetismus (Kein magn. Moment, da verteilung so, dass aufgehoben)
- Spin-canted antiferromagnetismus (Hämatit; Schräge ausrichtung sorg für seitwärts magnetisches moment)
- Ferrimagnetismus: (Antiparallel) In eine Richtung grösser als in die Andere, was nicht für kompelette aufhebung sorgt (Magnetit)
Ferromagnetische Minerale:
- charakteristische eigenschaften; Temp abhängige Suszeptibilität, Sättigungsmagnetisierung, Koerzivität (??)
\(\to\) Mineralbestimmung anhand magnetischer Eigenschaften
-Hochtemp. Suszeptibilität:
Curie Temperatur \(T_c \sim 585°C\); wechsel von Ferromagnetismus zu Paramagnetismus (starke abnahme der Suszeptibilität) \(\to\) Variabel für jedes Mineral??
- Hysterese: Nachträgliche Korrektur??
Magnetfeld der Erde:
- Beharrliches - oder Hauptfeld 99.5% ( Magnetische Pole, Breite und Lönge, inkl. Sekulärvariation) --> Feld aus dem Erdinnern (inneres Magnetfeld, äusserer Erdkern)
- Variationsfeld 0.5% ( Tägliche Variation der Ionosphäre, störungen (äusseres Magnetefld), Pulsationen, Erzeugung im Aussenraum) --> Feld um die Erde herum und Grund für Polarlichter
Hauptfeld kann zerlegt werden in:
- Quasihomogenes Fels = reguläres Feld 80%
- Irreguläres Feld (Nicht-Dipolfeld)
- Dipol-Feld: 11.4° geneigt zu rotationsachse, 400km vom erdmittelpunkt verschoben
- Am Äquator halb so stark wie an den Polen
- Verfolgung der Wanderung des Nordpols (?)
Variationsfeld
- Ionosphäre: Teil der Atmosphäre, über Stratosphäre. Hier sind Ionisierte Partikel vorhande, welche mit Sonnenlicht reagieren und sich ausdehnen
- Durch ströme in ionosphöre - tögliche variation dieses Feldes
- Unregelmässig starke änderungen während Magnetischer Stürme?? 11 jahres zyklus
Geodynamo, Entstehung des Magnetfeldes
Messung des Magnetfeldes
- in Noreuropa und Amerika eher gute-hohe dichte an Messstationen, aber sonst wenige daten, ausserdem nicht sehr regelmässige anordnung
- Messung mit mobilen Messstationen (Bode, Schiff, Flug, Satellit)
- Kompass; einfachste art der Messung
- Protonenmagnetometer und Cs-Dampf-Magnetometer (misst Intensität), Magnetisches Signal nimmt ab mit \(1/r^3\)
- Fluxgate Magnetometer (Intensität und Richtung)
\(\to\) WIchtig sind Magnetisierungsunterschiede, nicht die absolute magnetisierung!
Charakteristische remanente Magnetisierung = älteste Remanenz, die im Gestein enthalten ist
- Zb Faltentest, wenn Magnetisierung vor faltung, ist diese anders als wenn während oder nach faltung
Induzierte Magnetisierung
- \(M_{ind} =kH\), k=Suszeptibilität, H= Erdmagnetfeld
- parallel zum Feld (solange Gesteine nicht ansisotrop)
Remanente Magnetisierung:
- \(M_{rem} = NRM\)
- Beliebige Richtung, oft vernachlässigt
- Kann sie vernachlässigt werden?
- \(Q=M_{rem}/M_{ind}\),
Q>>1: \(M_{rem}\) dominiert (Oz. Basalte)
\(\to\) wenn schnell abgekühlt - kleine Korngrösse - stabile und starke REM
Q<<1: \(M_{ind}\) dominiert (Gestein mit grobkörnigem Magnetit)
-
Plattentektonik:
Mantel:
- Fester Körper für kurzzeitige Belastung (seismische wellen)
- Zähflüssig für langzeitliche Belastung ( Konvektion; asymmterisch)
\(\to\) Plattenbewegungen!
Motor für Plattenbewegungen:
- Konvektion
- da konvektion effiziente art des wärmetransportes ist, ist die Lithosphäre nicht stabil
- Reibungskopplung
- Slab pull --> Wichtigste Kraft
Strömungsarten im Mantel:
- Grossräumig, langzeitlich ( Kreation, Auskühlen, Subduktion) -> Dominiert von Lithosphäreneffekten
- Kleinräumig (lokal), langzeitlich, in Episoden (Hot Spot plumes; )
- Grossräumiger Einfluss, Episodenhaft (Avalanches + Megaplumes)
\(\to\) Vorherrschendes Plattenregime verändern; kontinente aufreissen und neue Oz kreieren
Plume-Ridge interaction:
- In MOR nähe interagieren plume- und MOR- Vulkanismus
- Eigenschaften:
- Geochem. Variation
- Erhöhte Topo
- Negative Schwereanomalie
- Anomale Krustenmächtigkeit
Ein Plume unter einem Kontinent kann Ursache für mehrer Vulkane sein
Arten von Plattengrenzen:
- Transform (Konservativ; erdbeben an verwerfungsfläche)
- MOR (Konstruktiv; ridge push = abgleiten auf schiefer Ebene)
- Subduktion (destruktiv, Lith. versinkt; viele, grosse Erdbeben)
- Alte lith. suduktion: steile benioff zone -> Extension; back-arc spreading
- junge lith. subduktion: flache benioff zone -> Kompression; Back-arc compression
Es gibt zwei Rift arten:
- Aktive Astenisphären Diapir (symmetrisch)
- Passiver Lithosphären Extesion (asymmetrisch)
Wilson Zyklus:
- Entstehen und vergehen der Oz Lith. und entstehen der kontinentalen Lith.
\(\to\) Frühere Ozeane sind geschlossen & oz lith ist 99% subduziert worden
Suturgürtel eingebaut (verbleibende Ophiolithe (grüngesteine) in kont. Kruste
- Beschreibt Zyklizität der Plattentektonik durch die Bildung von Superkontinenten und deren zerbrechen
Geothermie:
- Untersuchung des Energiehaushaltes und Temperaturfeldes der Erde
- Konduktive Lithosphäre = Thermische Grenzschicht
- Konvektiver Erdmantel (massenbewegungen; primäre Vertikale, asymmetrische Strömungen)
- Konduktive Kern-Mantel Grenze = Thermische Grenzschicht
Wärmetransportgleichung = Grundgleichung der Geothermik:
- \(\rho C(T)\frac{\delta T}{\delta t} = div(KgradT)+\rho C(T)\overrightarrow{V}grad(T)+A+L+W\)
- Wärme fliesst vom wärmeren zum kälteren
- Diffusionsgleichung: \(\frac{\delta C}{\delta t}=konstante \frac{\delta^2 C}{\delta X^2} \)
- Änderung der Gesamtwärme:
- Wärmeleitung \(\propto \) Temp.differenz (grad(T))
- Wärmetransport kommt von Bewegen von Material (zb konvektion)
- Wärmeproduktion kommt von radioaktiver strahlung und von Reibung. Änderung der latenten Wärme (zb Bindungsenergie, Phasenübergänge) trägt auch zu Gesamtwärme bei
Herkunft der Wärme:
- Akkretionswärme (bei erdentstehung)
- Radioaktiver zerfall (U, Th, K)
- Latente wärme
\(\to\) Höherer Wärmefluss in Ozeanen
- Wärmefluss in Kontinenten: ca 40 \(mW/m^2\) für Mantelwärmefluss und abkühlen der Lith.
Radioaktivität: \(30mW/m^2\)
Abkühlung der Lith.:\(10-15 mW/m^2\)
Mantelwärme: 8-13 mW/m^2\)
Oberflächenwärme über kontinenten und Ozeanen:
\(q_o = q_{Mantel} + A_{Kruste} + W_{Auskühlung} + W_{Anfrieren} \) (W Anfrieren auf kont. weniger wichtig als A Kruste - im gegensatz zu Ozeanen!)
Niedrigerer Wärmefluss bei Sedimentation und Senkung, bei Hebung und Erosion erhöhter Wärmefluss (da das Material wärme mit nach oben bringt)
Quellen des Wärmeverlustes:
- Abkühlen der Lithosphäre 85%
- Mantelwärmefluss 10%
- Radioaktivität 5%
Meer:
- \(Tiefe D =2500m + 350*\sqrt{A}\), A=alter
- Wärmefluss \(q=\frac{350}{\sqrt{A}}\)
\(\to\) Hoher wärmefluss an junger oz. Kruste
- Am MOR: 1. Abkühlen=Schrumpfen und höhere Dichte -> 2. Absinken, da hohe dichte
- Mit entfernung zu MOR wird die Mächtigkeitszunahme geringer, da die Lithosphäre immer mächtiger wird
Seismic hazard = Summe aller möglichen Bodenbewegungen
- Erdbeben: Plötzlicher Spannungsabbau nach langsamem Aufbau
- wo früher erdbeben waren, treten auch zukünftig Erdbeben auf
- Ausgangszustand allg. wichtig für vorhersagen --> Bei Erdbeben eher unbekannt
\(\to\) Statistische Modelle
Poisson-Prozess:
- Kriterien:
- Ereignisse treten unabhängig voneinader auf
- Anzahl Ereignisse pro Zeiteinheit ist bekannt (rate \(\lambda\))
- Zwei Ereignisse können nicht gleichzeitig auftreten
\(\to\) Erdbeben können Schwarmweise auftreten, kein Poisson Prozess!
- wahrscheinlichkeit, dass k Ereignisse in Zeitraum auftreten: \( P(k \ events \ in \ interval) = e^{-\lambda} \frac{\lambda^k}{k!}\)
- Wahrscheinlichkeit, dass länger als Zeit t gewartet werden muss zum nächsten Event:
\(P(T>t)=e^{-\frac{events}{time}\cdot t}\)
\(\to\) Ort und Stärke unbekannt!
Deterministisch (worst case):
- Wo stärkste Erdbeben in Vergangenheit?
- Bodenbewegungen berechnen für Standort
- Lückenhaftes Wissen, schwer zu berücksichtigende Unsicherheiten
Probabilistisch (alle möglichkeiten):
- berücksichtigt nachteile von Deterministischem Ansatz
- Bestimmung Quellregionen zukünftiger Erdbeben
- Bestimmung Statistischer Parameter pro Quellregion
- Bestimmung Abminderungsfnkt. (Bodenbewegung)
- Kombi 1-3 zu Gefährdungskurve (bodenbeschleunigung über Wiederkehrrate)
Berechnung der Seismischen Gefährdung:
- Berechnet Bodenbewegung F515
- Wiederkehrrate in % wird für verschiedene Bauten angepasst; 10% in 50 Jahren normale Baunorm, 0.5% in 50 Jahren für KKW und Staudämme
- berechnet Magnitude
- Wahrscheinlichkeit Erdbeben Magnitude 6 in 50 Jahren
- berechnet Intensität
- Wahrscheinlichkeit Erdbeben Intensität VII in 50 Jahren (berücksichtig lokale Standordeffekte)
Gefährdung (Wahrscheinlichkeit einer Bodenbewegung) \(\iff\) Risiko (wahrscheinlichkeit einer Auswirkung)
Magnitudeneffekt:
- Grössere Magnitude - grössere Amplitude - längeres Beben - niedrigere Frequenzen
Distanzeffekt:
- weitere Entfernung zu Beben - kleinere amplitude - längeres Beben - stärkere und höhere Frequenzen rausgefiltert
Viskose remanente Magnetisierung:
- Durch lange Einwirkung des Magnetfeldes wird Magnetisiert (auch bei tiefen T)
Isothermale remanente Magnetisierung
- Kurze einwirkung eines starken Magnetfeldes (Zb Blitzeinschlag)
Chemische remanente Magnetisierung (CRM):
- Entsteht durch chemische Umwandlung und Rekristallisation
Thermische Remanente Magnetisierung (TRM)
- Entsteht durch Abkühlung im Erdmagnetfeld
Natürliche Remanente Magnetisierung (NRM):
- Magnetisierung, welche ein Gestein während der Entstehung (und Geschichte) gespeichert hat
- Abhängig von: Art und Konzentration der Magnetischen Mineralien, der damaligen Feldstärke, Umwandlung und Remagnetisierungsprozesse
Depositionale remanente Magnetisierung (DRM):
- Neue Magnetische Ausrichtung während Ablagerung (sedimente; zb Bioturbation)
--> Sedimente zeigen änderungen des Magnetfeldes über jahrtausende hinweg