Lithosphäre und Rheologie

Die Lithosphäre ist die kühle, feste äußere Hülle der Erde, die sich über geologische Zeiträume hinweg starr verhält, und ihre Rheologie, die definiert, wo Gestein spröde, elastisch oder duktil ist, steuert, wie Platten sich biegen, brechen und verformen.

Definition

Die Lithosphäre ist die relativ kühle, feste äußere Schicht der Erde, die aus der Kruste und dem obersten Mantel besteht und sich über geologische Zeiträume hinweg starr oder elastisch verhält; ihre Rheologie beschreibt, wie sich ihr Gestein verformt, von sprödem Bruch nahe der Oberfläche bis zu duktilem Kriechen in der Tiefe.

Scope

Dieses Thema behandelt die Lithosphäre als thermische und mechanische Grenzschicht und die Rheologie, die ihr Festigkeit verleiht: ihre Definition durch Temperatur und die Abkühlung ozeanischer Platten mit dem Alter, die elastische und Biege-Reaktion auf Lasten sowie den Übergang von sprödem zu duktilem Verhalten mit der Tiefe. Es werden Fließfestigkeitshüllen, die Unterscheidung zwischen thermischer, seismischer und elastischer Lithosphäre sowie die Verformungsmechanismen, die ihre Festigkeit bestimmen, behandelt. Der Schwerpunkt liegt auf der Festigkeit und dem mechanischen Verhalten der äußeren Erde, die die Plattentektonik ermöglichen.

Core questions

• Wie wird die Lithosphäre thermisch, seismisch und mechanisch definiert?
• Wie verdickt und sinkt die ozeanische Lithosphäre ab, wenn sie abkühlt und altert?
• Was ist der spröd-duktile Übergang, und wie variiert die Festigkeit mit der Tiefe?
• Wie steuert die Lithosphärenfestigkeit die Biegung und die Unterstützung von Lasten?

Key concepts

• Lithosphäre als thermische Grenzschicht
• Abkühlung und Absinken der ozeanischen Lithosphäre
• Spröd-duktiler Übergang und Fließfestigkeitshülle
• Elastische und Biegesteifigkeit
• Thermische, seismische und elastische Lithosphäre

Key theories

Abkühlende thermische Grenzschicht

Die ozeanische Lithosphäre ist die kalte obere thermische Grenzschicht der Mantelkonvektion; während sie sich von einem Rücken wegbewegt, kühlt sie ab, verdickt sich und sinkt auf vorhersagbare Weise ab, wobei die Meerestiefe mit der Quadratwurzel des Alters zunimmt.

Fließfestigkeitshülle

Die Festigkeit der Lithosphäre mit der Tiefe wird durch spröden Reibungsbruch im kühlen oberen Teil und duktiles Kriechen in der Tiefe begrenzt, wodurch eine Fließfestigkeitshülle definiert wird, die ihre effektive elastische Dicke und die Art und Weise bestimmt, wie sie Lasten trägt.

Mechanisms

Da die Gesteinsfestigkeit stark von der Temperatur abhängt, widersteht die kühle obere Erde dem Fließen und verhält sich als kohärente Platte; nahe der Oberfläche ist die Verformung spröde und wird durch Reibung an Verwerfungen gesteuert, während tieferes und heißeres Gestein durch duktiles Kriechen nachgibt, und der Übergang zwischen diesen Regimen, zusammen mit der Plattendicke, bestimmt ihre Biegesteifigkeit und wie sie sich unter Lasten wie Seebergen und Eisschilden biegt.

Clinical relevance

Die Lithosphärenrheologie bestimmt, wo Erdbeben entstehen können, wie Becken absinken und Gebirge gestützt werden und wie die feste Erde auf Be- und Entlastung reagiert, was die tektonische Interpretation, die Beckenanalyse und die Untersuchung des postglazialen Rebounds beeinflusst.

History

Das Konzept einer festen Lithosphäre über einer schwachen Asthenosphäre war zentral für die frühe Plattentektonik; spätere Arbeiten zum Halbraum-Abkühlungsmodell ozeanischer Platten, Laborstudien zur Gesteinsfestigkeit und die Biegeanalyse von Lasten bildeten das moderne Verständnis der Lithosphärenrheologie.

Key figures

• Donald Turcotte
• Anthony Watts
• Shun-ichiro Karato

Seminal works

• turcotte2014
• watts2001
• karato2008

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre?

Die Lithosphäre ist die kühle, starre äußere Schicht, die die tektonischen Platten bildet, während die Asthenosphäre darunter heißer und schwächer ist und sich leicht verformt, sodass die Platten darüber gleiten können; die Grenze ist im Wesentlichen thermisch und mechanisch und nicht kompositorisch.

Warum wird der Meeresboden von den mittelozeanischen Rücken weg tiefer?

Wenn die ozeanische Lithosphäre altert und sich von einem Rücken wegbewegt, kühlt sie ab, wird dichter und zieht sich zusammen, sodass sie absinkt; diese Abkühlung und Absenkung folgen einem regelmäßigen Muster, wobei die Tiefe ungefähr mit der Quadratwurzel des Alters der Lithosphäre zunimmt.