Transcript Prezentace aplikace PowerPoint

Úvod do fyziky Zeme
(pre študentov - bakalárov)
20.10.2010
Vznik Zeme
Plášťová konvekcia a geodynamo
Obsah prednášky
• vznik Zeme,
• rozhodujúce fakty a vlastnosti chemických prvkov,
ktoré rozhodli o jej vývoji k súčasnému stavu,
• tri gigantické tepelné stroje,
• stavba, diskontinuity a procesy v plášti,
• konvekcia v plášti
• čo dôležité stále nie je jasné
• magnetické pole Zeme
• dva generačné mechanizmy v kvapalnom jadre Zeme
• čo dôležité stále nie je jasné
Vznik Zeme
• vznik slnečnej sústavy – kolaps a fragmentácia rotujúceho
medzihviezdneho mračna, homogénne zloženie
• gravitačný kolaps  vznik centrálnej hviezdy – Slnka
• 0,1% materiálu (plyn a prach) zostalo pre formovanie planét,
asteroidov, mesiacov
• tvorba planetezimál (rozmer telies metre-kilometre),
• akrécia - proces formovania planét
• dôležité procesy: * zhlukovanie m prachových zrniečok
* kondenzácia (z plynu vznikali pevné časti)
* vizkozita, vplyv plynnej fázy na pohyb
prachu a jeho spájanie do väčších celkov
* gravitácia pre väčšie telesá (1-10 km)
Výsledok počítačových simulácií
Proces akrécie „vyprodukuje“ telesá (planetárne embryá)
o hmotnosti 10^23 kg (2% hmotnosti Zeme) za 10^5 rokov
Klasifikácia chemických prvkov podľa kondenzačných teplôt
10 Pa
Refraktórne
1800-1420 K
Re, Os, W, Yb, Zr,
Ti, Lu, Ca, Ir, Ru
Majoritné
1350-1300-1250 K
Mg, Cr, Si, Fe, Co,
Ni, Pd
Stredne prchavé
(moderately
volatile)
1267-1250-648 K
P, Li, Au, Mn, Na, K,
Diferenciačný proces v hmlovine – podľa kondenzačných teplôt Ga, B, Se, S
• v menších heliocentrických vzdialenostiach skondenzovali len
Tvoriace ľad
prvky s vyššími kondenzačnými teplotami
< 300 K
• prchavé prvky v plynnej fáze boli aktivitou Slnka vypudené do
H, C, N,...
väčších heliocentrických vzdialeností,
• tam už mohli skondenzovať – v joviálnych planétach a ich
mesiacoch prevládajú volatily, ľady (metán), sú tam aj majoritné
prvky
Planetezimály dvoch typov:
Diferencované – nastalo
oddelenie metalického jadra.
Meteority z nich odvodené
obsahujú produkty
natavenia, alebo pochádzajú
priamo z metalických jadier
Nediferencované –
neprekonali diferenciáciu.
Meteority z nich odvodené
majú zachovanú informáciu
o pôvodnom zložení.
Sú štandartom pre
skúmanie terestriálnych
vzoriek.
Vznik Zeme zahrňuje dve základné etapy:
• (a) v lokálnej zóne vo vzdialenosti 1 AU sa v priebehu 10^5 rokov vytvorili
v procese zrážok planetezimál km-rozmerov planetárne embryá o rozmere
Mesiaca alebo Marsu
(b) terestriálne planéty rástli kolíziami medzi embryami, proces trval milióny rokov,
mohlo prebiehať miešanie materiálu aj v radiálnom smere,
teda aj z pásu asteroidov (mohli priniesť zložky bohaté na volatily)
Klasifikácia meteoritov – základné dve triedy
# - pôvod z diferencovaných rodičovských telies (žlté)
#- pôvod z nediferencovaných rodičovských telies (modré)
Klasifikácia chondritov podľa pomeru prvkov Mg/Si
Uhlíkaté chondrity CI sú najzaujímavejšie z hľadiska posudzovania vývoja Zeme
Chondritické meteority sú pre analýzu terestriálnych vzoriek štandartom –
etalónom.
Zastúpenie prvkov je veľmi podobné solárnemu zloženiu.
Odchýlky od pomerov prvkov znamenajú diferenciačné, chemické,
frakcionačné procesy, ktoré v Zemi museli prebehnúť.
Podobnosť v zložení indikuje primitívne (primordiálne) pôvodné zloženie.
Časové etapy vzniku Zeme
Akrécia Zeme začala pred 4,56 mld. rokov,
mnohé chondrity (primitívne objekty) boli formované pred 4,54-4,57 mld. rokov.
• Čas potrebný na sformovanie Zeme do súčasnej veľkosti – 70-100 mil. rokov.
• Súčasne prebehol gigantický impakt telesa veľkosti Marsu – vznik Mesiaca.
• Impakt modifikoval izotopové a chemické zloženie.
• Metalické jadro sa vytvorilo asi počas akrécie – prvá gigantická diferenciácia
v mladej Zemi. Potom nastali etapy tvorby a oddeľovania kôry.
Zem mala dnešnú veľkosť pred 4,46 mld. rokov – vznik Zeme
Etapy vývoja Zeme –
BE (Bulk Earth)
BSE (Bulk Silicate Earth) – primitívny plášť
Železité jadro už bolo oddelené, kôra nebola vytvorená
Osudy chemických prvkov v Zemi –
určené podľa ich chemických a fyzikálnych vlastností
Kompatibilita – pri natavení (zahriatí)
kryštálovej mriežky preferenčne vstupujú do
kvapalnej fázy (magma). Nastalo to v ranej
fáze natavenia Zeme, pokračuje dodnes.
Nekompatibilné prvky prevládajú v
zemskej kôre a chýbajú vo vrchnom plášti.
Náchylnosť prvku tvoriť zlúčeniny
s inými prvkami
Litofilné (gr. litos = kameň) –
preferujú tvorbu silikátov a oxidov: Ca,
Mg, Al, REE
Chalkofilné (gr. chalkos = síra) –
viažu sa do sulfidov
Siderofilné (gr. sideros = železo) –
preferujú tvorbu zlúčením s Fe,
vstupujú ako prímesy do minerálov
železa: Pt, Pd, Ir, Os, Au, Ni, S.
Pri oddelení jadra boli spolu s Fe
„spláchnuté“ do jadra.
Ale! Je ich viac „ako treba“!
Heterogénna akrécia – materiál
z iných vzdialeností použitý na
tvorbu Zeme
Model heterogénnej akrécie Zeme
•
•
Akrécia prvých 85-90 % Zeme prebehla z „domáceho“ materiálu v 1 AU.
Materiál bol chudobný na volatily. Pri tvorbe jadra boli stredne a vysoko
siderofilné prvky stiahnuté z plášťa proto-Zeme do jadra spolu s Fe.
•
Potom bol pridaný externý materiál (10-15%) impaktom veľkého telesa,
pravdepodobne z väčších heliocentrických vzdialeností, materiál bohatší na
volatily – síra (oddelená do jadra v priebehu etáp vývoja jadra).
Nastavenie abundancií stredne siderofilných prvkov.
Dokončenie formovania Zeme v procese „late-veneer“ (posledná politúra)
materiálom (0,6%), ktorý nastavil vysoko siderofilné prvky.
Rádioizotopové rady
• U-Pb určený bol vek Zeme. U-nekompatibilný, Pb-chalkofil uložený v jadre, volatil.
• Rb-Sr určená stredná doba trvania akrécie 100 ± 50 mil. rokov.Neukladané do jadra.
• Sm-Nd určené, že kontinentálna kôra vznikla etapovite, po častiach. Oba prvky sú
refraktórne a siderofilné.
• Pomer 3He/4He – vysoké hodnoty indikujú primitívne zloženie
Geochemické rezevoáre – najdôležitejšie z nich: DM (DMM), OIB, CC,
Kontinentálna kôra rástla asi po etapách (progresívny scenár),
nie naraz (recyklačný scenár)
Tri gigantické tepelné stroje
1. V neutrálnej atmosfére od povrchu do výšky troposféry,15-20 km, procesy
v nej určujú počasie a klímu (skúmajú meteorológovia a klimatológovia)
2. V plášti Zeme, procesy v ňom súvisia s pohybmi litosférických dosiek a
prenosu materiálu „hore“ a „dole“ v plášti (skúmajú geofyzici, geológovia)
3. V kvapalnom jadre Zeme, pohyb elektricky vodivej kvapaliny zabezpečuje
udržovanie, (re)generáciu geomagnetického poľa (skúmajú geofyzici)
Atmosféra Zeme, výška 20-25 km
Povrch Zeme, zemská kôra
Plášť Zeme, tuhá látka, hornina
Rozhranie jadro – plášť, 2891 km
Kvapalné jadro Zeme
Rozhranie
kvapalné - tuhé jadro, 5150 km
Tuhé jadierko
Stred Zeme, 6372 km,
tlak 364 GPa = 3,6 mil. atm,
teplota 5000 K
Konvekcia v plášti a pohyb litosférických dosiek
Gigantický tepelný stroj pracujúci v plášti Zeme
Plášť je v krátkych časových škálach (1s (seizmické vlny)-deň-rok)
pružný (elastický), presnejšie elasto-plastický,
v povrchových častiach (spolu s kôrou) je krehký, môžu vzniknúť zlomy,
v dlhých časových škálach (10 -100 mil.rokov) tečie (kríp, angl. creep).
Modelujeme ho hydrodynamickými rovnicami pre extrémne viskóznu
„kvapalinu“ s rýchlosťami niekoľko centimetrov za rok.
Dáva o sebe informácie priamo na povrch Zeme:
tepelný tok na povrch Zeme,
„nový“ vystupujúci materiál v stredo-oceánskych chrbtoch (MORB),
a v dôsledku tzv. plášťových hríbov-plumov (OIB),
rôzne typy magmatického materiálu môžeme chemicky analyzovať
a nepriamo (šírenie seizmických vĺn, seizmická tomografia,
analýza tiažového potenciálu, ktorý „vidí“ hustotné nehomogenity,
vlastné kmity Zeme vybudené pri veľmi silných zemetraseniach,...)
súčasne je tajomný, lebo niektoré povrchové štruktúry „miznú“
v hlbinách Zeme pri tektonických pohyboch a „stráca“ sa tak informácia
o stave v dávnej geologickej minulosti – nepamätá si históriu
Konvekcia v kvapalnom jadre a generácia MPZ
(MPZ = magnetické pole Zeme)
Gigantický tepelný stroj v tekutom jadre Zeme (geodynamo)
pohybuje sa v ňom
vysoko elektricky vodivá kvapalina (zliatina) hnaná
tepelne a kompozične s rýchlosťami pod 0,1 mm/sek ~ 3 km/rok
pohyb elektricky vodivej kvapaliny v magnetickom poli zabezpečuje
(re)generačné mechanizmy MPZ proti ohmickému rozpadu,
konvekcia a jej rýchlosť udržuje magnetické pole,
magnetické pole spätne pôsobí na rýchlosť tečení – je tu spätná väzba
medzi obomi poliami (rýchlosť v a magnetické pole B)
časová škála pravidelných zmien magnetického poľa je
100 – 1000 – 10 000 rokov
systém umožňuje inverzie (prepólovanie)
systém dáva o sebe informácie
meranie MPZ na geomagnetických observatóriach (170 rokov), satelitoch,
paleomagnetické analýzy horninových vzoriek, archeomagnetizmus,
vieme približne určiť veľkosť a smer MPZ v geologickej minulosti, lebo
stav MPZ môže byť „zapísaný“ v horninách, ktoré tuhli v danom čase
výsledky paleomagnetizmu informujú súčasne aj o tektonike v minulosti
Oba konvektívne systémy sú v kontakte
• kontaktnou fyzickou hranicou je rozhranie jadro-plášť
(CMB core-mantle boundary) v hĺbke 2891 km (od stredu Zeme 3480 km)
• „najdramatickejšia“ diskontinuita v Zemi
tuhá fáza v plášti – kvapalná fáza vo vonkajšom jadre
ľahšie oxidy a silikáty v plášti – ťažká železitá tavenina v jadre
skok v hustote: 5570 kg/m3 – 9900 kg/ m3
skok v rýchlosti pozdĺžnych seizmických vĺn: 13,72 – 8,06 km/s
skok v rýchlosti priečnych seizmických vĺn: 7,26 – 0 km/s
• nad rozhraním je 100-200 km hrubá najspodnejšia časť
plášťa (D’’ vrstva) - tepelná hraničná vrstva,
môže byť nestabilná
„korenia“ v nej stúpajúce toky
horúceho materiálu – plume-y (plášťové hríby),
prinášajú informácie, materiál sa volá OIB (ocean island basalts)
• odvod tepla z jadra je ovplyvnený konvekciou v plášti,
hlavne procesami v D“-vrstve
Stavba Zeme – radiálne vrstvy
Kôra – hrúbka 5-70 km, krehká, dopukaná
Plášť – peridotity (olivíny+pyroxény,...)
Kvapalné jadro – Fe+Si,S,O,..
Tuhé vnútorné jadro – ε-Fe
Kôra – oceánska (5-15 km, 60% plochy celej
kôry, 20% objemu celej kôry) a kontinentálna
(pevninská, 30-50-70 km, má menšiu hustotu
ako oceánska kôra)
Mohorovičičova diskontinuita (Moho)
Plášť-vrchný (hranice: Moho-660 km), jeho
súčasťou je časť litosféry, astenosféra a časť
prechodovej zóny
diskontinuita v 660 km
Plášť – spodný (hranice: 660 – 2890 km), jeho
súčasťou je dôležitá D“ vrstva v najspodnejšej
časti
CMB – rozhranie jadro-plášť
Kvapalné (vonkajšie) jadro–hranice: 2890–
5155 km
ICB – inner core boundary
Pevné (vnútorné) jadro–hranice: 5155 – stred
Zeme
Litosféra = kôra + najvrchnejšia časť vrchného plášťa,
charakteristická hrúbka 100 km,
rozdelená na 12 dosiek, majú aj podjednotky
• vychladnuté staré časti dosiek sú mechanicky krehké, pevné,
• nová litosféra vzniká v stredo-oceánskych chrbtoch,
*natavený materiál vrchného plášťa je vytláčaný z astenosféry,
*na dne oceánov chladne, s vekom rastie jeho hustota
*na niektorých miestach sa môže podsúvať pod inú dosku
(subdukcia) a klesá do plášťa (je to „miešačka“)
• dosky sa pohybujú rýchlosťou 1-7-10 cm/rok, podobné
ako pohyb ľadových krýh na vode, pohyb každej dosky je
limitovaný pohybom iných, dosky tvoria jeden systém
• dosky sa dotýkajú v troch typoch hraníc (seizmická aktivita):
konvergentné – so subdukciou (podsúvanie)
transformné - (horizontálne kĺžu jedna voči druhej)
divergentné – stredo-oceánske chrbty, (odtláčanie)
Astenosféra – pod litosférou
• v hĺbke 100-350 km, čiastočne
natavená, geoterma (priebeh teploty s
hĺbkou) je „blízko“ teplote tavenia
niektorých minerálov
• nižšia viskozita, plastický stav
• zóna znížených seizm. rýchlostí
• litosférické dosky plávajú a kĺžu
sa na astenosférickom substráte
Prechodová zóna – je súčasťou vrchného a spodného plášťa
• v hĺbkach 400 - 670 – (1000 -1200) km
• plášťové minerály podliehajú fázovým prechodom, keď
z jednej kryštalografickej sústavy prechádzajú na tesnejšie
usporiadanú (hlavne olivíny vytvárajú hustotné diskontinuity
seizmicky detekovateľné: 410, 520, 660 km)
• hranica 660-670 km je rozhranie medzi vrchným a spodným
plášťom – 2 modely konvekcie v plášti (celoplášťová a
dvojvrstvová)
Závislosť rýchlosti šírenia priečnych (S-wave) a pozdĺžnych (P-wave)
seizmických vĺn na hĺbke v km v radiálnom PREM modeli
Seizmické diskontinuity v prechodovej vrstve plášťa sú dôsledkom
fázových prechodov olivínu
(tuhý roztok forsteritu a fayalitu).
Fázové prechody - zmena
kryštalografickej sústavy do
tesnejších štruktúr - prebiehajú v
hĺbkach 410, 520 km, polymorfný
fázový prechod, t.j. chemicky ten
istý minerál, mení usporiadanie
atómov v mriežke.
Clapeyronov sklon je kladný.
V hĺbke 660 km sa -fáza mení
na Mw a Pv
Clapeyronov sklon je záporný,
rozhranie v 660 km môže byť
zádržou pre stúpajúce a klesajúce
hmoty.
Rozhranie v 660 km pri veľkom
zápornom Clapeyronovom sklone
môže byť prekážkou konvekcii.
Súčasné rozmiestnenie a ohraničenie litosférických dosiek
Základné pohybové trendy dosiek a 3 typy kontaktu - hraníc
Mapa povrchovej geomorfológie kontinentov a podmorských
stredo-oceánskych chrbtov – celkom asi 60 000 km „pohorí“
Atacama zlom, Chile – satelitný snímok
Niekoľko 100 km paralelne s pobrežím.
Zlom je aktívny, má transformné pohyby
a taktiež kolmo na zlom
Zlom San Andreas – San Francisco,
USA, obrovské množstvo
geofyzikálnych meraní a monitorovaní
Hranice dosiek koincidujú s epicentrami zemetrasení, vulkánov a zvýšeného
tepelného toku
Mapa epicentier zemetrasení za obdobie 1978-1987
Silné zemetrasenie Indonézii, ktoré spôsobilo vlny tsunami:
Indo-austrálska platňa sa posúva pod Euroázijskú.
Zemetrasenia v Peru: doska Nazca sa posúva pod Juho-americkú dosku.
Rozmiestnenie
kontinentov v geologickej
minulosti spred 180 mil.
rokov.
Rekonštrukcia je
navrhnutá aj do hlbšej
minulosti.
Prakontinent Pangea
sa rozdelil na dve časti:
Lauráziu a Gondwanu.
Jej súčasťou bola aj
dnešná India, ktorá na
„snímke“ spred 135 mil.
rokov putuje na sever a
pred asi 45 mil. rokov
„narazí“ na Lauráziu a
vyvrásnia sa Himaláje.
A v budúcnosti nás čaká stav, keď do Ameriky pôjdeme autom
cez Afriku
Pohyby kontinentov v geologickej minulosti
dramaticky menili klimatické pomery a chod teplých
a studených prúdov vo svetových oceánoch.
Identifikované boli 4 najväčšie periódy zaľadnenia:
• najsilnejšia bola pred 800-600 mil. rokov, keď
Zem bola ako „snehová guľa“ a ľad ju pokrýval
úplne
• menšie zaľadnenia boli v období 460-430 mil.
rokov a pred 350-250 mil. rokov
• v Pleistocéne ľadové doby boli viac či menej
intenzívne s periódami 40 000 a 100 000 rokov
• posledná ľadová doba skončila pred 10 000 r.
Dva možné scenáre konvekcie v plášti
MORB
OIB
Konvekcia vrstvová-“660 km“ oddeľuje
2 vrstvy, dosky cez ňu neprechádzajú
V stredo-oceánskych chrbtoch
vychádza na povrch
z astenosféry materiál MORB
v dôsledku klesania dosiek nadol
vlastnou tiažou (to je dominantný
zdroj pohybu v platňovom móde)
Chemické zloženie je temer
rovnaké po celej dĺžke týchto
divergentných zón (60 000 km).
Druhým typom konvekcie
nezávislým od pohybu dosiek
OIB plume
je plume-ový mód. Tvorí ho
horúce
stúpajúci teplý materiál z D“
škvrny
vrstvy a jeho „hlava“ sa môže
dostať až na povrch. Plume-y
súvisia s tzv. horúcimi bodmi,
ktoré nemusia koincidovať s
Konvekcia celoplášťová – „660 km“ nie je
pre dosky podstatnou prekážkou
hranicami platní a môžu byť
aj v strede dosiek, napr. Havajské ostrovy. Materiál, ktorý prinášajú, je
odlišný od MORB-ov a volá sa OIB (ocean island basalts). Jednotlivé OIB
sa však chemicky líšia, teda musí existovať niekoľko rezervoárov pre OIB.
OIB
Havajské ostrovy: v centre Pacifickej dosky vystupuje teplý materiál
(plume – plášťový hríb), „prepaľuje“ dosku a vzniká reťazec ostrovov.
Materiál, ktorý plume prináša, sa nazýva „ocean island basalts – OIB.
Podstatné sú stopové prvky.
Ak sú rôzne vzorky OIB chemicky
rôzne, musia mať rôzne zdroje –
rezervoáre.
Rádiometrické datovanie ukázalo,
že majú vek 1-2 mld. rokov, čo je
menej ako vek Zeme, a teda asi nie
sú úplne pôvodné (primordiálne,
primitívne).
Fundamentálna otázka č. 1:
Prečo sa litosféra „rozdelila“ na dosky a čím bol tento proces
podmienený?
• ak roztavená guľa chladne, tak na jej povrchu vzniká pevné súvislé veko (v prípade
Zeme to je litosféra) a pod ním sa môže tavenina pohybovať (konvekcia)
• prečo v prípade Zeme v určitých oblastiach tuhej pokrývky vznikli slabé oblasti,
ktoré viedli k vzniku hraníc litosférických dosiek, súvislé veko sa „rozlámalo“ a tým
mohla nastúpiť tektonika platní – je to reologický problém
• na iných terestriálnych planétach (Mars, Venuša) nie je tektonika, resp. bola len
epizodická
Fundamentálna otázka č. 2:
Aký charakter má konvekcia v plášti?
• je celoplášťová, materiál zo spodného plášťa
sa dostane na povrch a z povrchu klesá až do spodného plášťa,
• alebo je v dvoch vrstvách, t.j. v hornom plášti cez stredooceánske chrbty vystupuje asténosférický materiál
a v spodnom plášti môže byť primordiálny materiál
(pôvodný materiál z raného štádia vývoja Zeme),
ktorý sa cez plume-y môže tiež dostať na povrch,
v oblastiach horúcich škvŕn (hot spots).
Výsledky seizmickej tomografie
• odchýľky od strednej hodnoty
rýchlosti pozdĺžnych (P-wave)
a priečnych (S-wave) objemových vĺn v rôznych hĺbkach
• modrá farba – oblasti väčších
rýchlostí ako stredná hodnota
(asi studený materiál – litosférické dosky)
• červená farba – oblasti menších
rýchlostí ako stredná hodnota
(asi teplý materiál – plášťové
plumy)
• Záver: litosférické dosky
môžu klesať až temer
k rozhraniu jadro- plášť
• konvekcia je celoplášťová
Model konvekcie v guľovej vrstve zohrievanej zospodu,
vo vrstve je homogénna látka s viskozitou nezávislou
od teploty. Modré útvary sú klesajúce chladné toky a
červené stúpajúce teplejšie. Modré majú pretiahnutý
úzky tvar – podobá sa to na klesajúce litosféricke
dosky.
I. Dynamika
středu Země
Vesmír, 77/2,
1998, 78 - 84
Ukážka prerazenia rozhrania v
660 km hĺbke.
R. Jeanloz,
B. Romanowicz
Ukážka výpočtu plumov, ktoré
stúpajú nahor a majú dvojitú
„hlavu“, lebo cez 660 km
diskontinuitu ťažšie prenikali
a druhá „hlava“ je na povrchu
Zeme.