Transcript Geodyn-NTNU-100

Jordas indre struktur og dynamikk
- en kunnskapsrevolusjon, 2004 -2010
Reidar Trønnes
Inst. for geologi og bergteknikk, NTNU
Senter for grunnforskning, DNVA
Jordas indre struktur
Lithosfæren
- 100 km tykt skall
- inneholder jordskorpe (7-40 km tykk)
og den øvre, stive delen av mantelen
Asthenosfæren
- diffus sone under lithosfæren
- lav viskositet
Indre kjerne
Fast FeNi
Dyp, km
Viskositet (seighet), log10 (Pa s)
Mantel-kjerne-overgangen
Indre energi: 44 TW (86% er radioaktiv varme)
driver "Jord-maskinen":
konveksjon i kjerne og mantel
6 TW fra jordskorpa:
radioaktivitet fra U, Th, K (godt fastlagt)
32 TW fra mantelen:
- radioaktivitet fra U, Th, K
6 TW fra kjernen
- krystallisasjonsvarme
Jordas struktur og dynamikk
Informasjonskilder
Seismologi – hastigheten av jordskjelvbølger
Tyngdefelt
Magnetfelt
Varmestrøm
Platebevegelser (kan måles, bl.a. med GPS)
Høytrykkseksperimenter – mineralogi og mineralfysikk
Kosmokjemi og geokjemi – jordas sammensetning og utvikling
To typer lydbølger gjennom Jordas indre:
- P-bølger (trykkbølger): svinger parallelt med utbredelsesretningen
- S-bølger (skjærbølger): svinger normalt til utbredelsesretningen,
kan ikke gå gjennom flytende materie
Både P- og S-bølgene brytes (forandrer retning) når de går gjennom materialer med ulik stivhet.
Dermed fører Jordas flytende ytre kjerne (med ekstra lav stivhet) til store "skygge-områder"
uten bølgeforplantning på den siden av Jorda som vender bort fra jordskjelv-senteret.
Jordas hovedstruktur trer dermed tydelig fram i dette seismologiske bildet.
P-bølger
S-bølger
(går ikke i flytende materie)
Jordas hovedstruktur
- fra seismologi
- god kontroll på tetthet og tykk
Temperatur: holdepunktene
660 km-grensen:
Faseovergang til mineralet perovskitt ved 24 GPa
Adiabatisk gradient for mantelen:
under smeltekurven for stein
KM-grensen: gigantisk termisk grenselag!
Temp.kontrast: 2500 - 3800 K ! (DT: 1300K)
Tetthetskontrast: 5500 - 9900 kg/m3
Adiabat for ytre kjerne:
over smeltetemp. for FeNi
Indre-ytre kjerne-grense: 330 GPa / 5150 km:
smeltepunktet for FeNi
Mineralogi og seismologi:
nære forbindelser
Seismisk hastighet  mineralfysiske egenskaper
Trykkstivhet (bulk modulus): K
Skjærstivhet (skjær-modulus): G
G/r = vs2
K/r = vp2 – 4/3vs2 = F
(seismiske parameter)
Mineralfysikk:
Enhetscellens V og r
som funksjon av p og T
In-situ røntgendiffraksjon
under høy p og T:
- i diamant-cellen
- høy-intensitets synkrotron-stråling
Braggs lov:
n l = 2 d sin q
Diamantcellen
Stålpakning
3 cm
Laser-varming av prøve i diamantcelle, Univ. of Bristol
100 m
Røntgendiffraksjon ved
høy-intensitets synkrotronstråling
stråle
Mg-perovskitt, MgSiO3
Jordas dominerende mineral
- 75% av nedre mantel
(nedre mantel: 54 volum% av Jorda)
(SiO6)8--oktaeder
- 41 vol% av Jorda !
Mg2+-kation
Er Mg-perovskitt stabilt gjennom hele mantelen ?
Ca. 1980 - 2004:
Mineraloger: Ja, trolig (hemmet av høytrykks-teknologiske begrensninger)
Seismologer: Seismiske reflektorer kan tyde på faseovergang(er) nederst i mantelen
D”-sonen (først beskrevet av Bullen,1940)
- stor variasjon i lydhastighet
- anisotropi
- minst to seismiske reflektorer 300-50 km over kjerne-mantel-overgangen
- to store lavhastighets-områder under Stillehavet og Afrika (200-400 km tykke)
- mindre ultra-lavhastighetssoner (5-40 km tykke)
Lay & Helmberger (1983, Geophys. J. Roy. Astr. Soc)
S-bølge triplett
Mineralogisk gjennombrudd i 2004:
MgSiO3 (Murakami et al. 2004)
KM-grensen
Faseovergang til post-perovskitt
Pv: høy entropi, Post-pv: lav entropi
Pv-ppv-overgangen er svært
temperaturfølsom
Stor T-økning nær kjernegrensen
Pv (med høy entropi) blir re-stabilisert like over kjernegrensen
Seismisk tomografi: store T-variasjoner øverst og helt nederst i mantelen
Dyp, km
Dyp, km
S-bølge-kontrast, %
Vs-variasjon i de nederste 300 km (D”):
Robust bilde:
to store anti-podale lavhastighetsområder (LHO)
like ved ekvator, 180º separasjon
Termiske oppdriftsbobler og søylestrømmer fra KM-grensen:
nye indikasjoner fra paleo-geografisk rekonstruksjon av store basaltprovinser (SBP / LIP)
SC
Dagens SBP-kart
- aldre: 16 - 297 Ma
- tilsynelatende tilfeldig geografisk fordeling
Paleogeografisk relokalisering
Nær periferien til de to antipodale LHO
- langtids stabilitet (≥ 300 Ma)
- tungt og varmt materiale
(termokjemiske hauger)
SC
Pacific
–3%
slow
Africa
Burke & Torsvik, 2004, EPSL
Torsvik et al., 2006, GIJ
Burke et al. 2007, EPSL
Torsvik et al. 2008, EPSL
Torsvik et al. 2010, Nature
Bruke & Torsvik (2004); Bruke et al. (2007); Torsvik et al. (2006, 2008, 2010)
Paleo-geografisk rekonstruksjon av erupsjons-stedene for
store basaltprovinser (LIPs) – tidsspenn: 0-300 Ma
Rekonstruksjon:
Periferien til de to store antipodale
lavhastighets-områdene
Oslo-feltet !
SCLIP, 300Ma
Lavhastighets-sonene: stabile i mer enn 300 Ma!
Varmt, men tungt materiale
Omtrentlig ekvatorsnitt
For alle stein-jern-planeter med flytende kjerner:
Mantelen er "herren" – kjernen er "slaven"
Sitat fra Dave Stevenson, Caltech
D.v.s.:
Viskositeten i mantelen begrenser konveksjon og
varmetap fra den flytende ytre kjernen
Nye fremskritt: 2004 - ?
Mineralogi og mineralfysikk
Teori: "ab initio"-beregninger
DFT – superdatamaskiner, numerisk løsning av Schrødinger-likningen
Forbedret teknologi for høytrykks-eksperimentering
bedre diamanter ved CVD-fabrikasjon, synkrotron-anlegg
Seismologi
Forbedret oppløsning i seismisk tomografi-eksperimenter
OBS-nettverk - kartlegging av søylestrømmer
Forbedret seismisk signalbehandling (”stacking”)
Geodynamikk
Kobling av platebevegelser på overflaten med
strømningene i mantelen (seismisk tomografi, mineralfysikk, fluidmekanisk simulering)
4-dimensjonalt: rom og tid (minst 300 millioner år)
Nytt, verdensledende senter:
"Oslo-gruppen", ledet av Trond Torsvik
Tredimensjonal
konveksjons-modell
for jordas mantel
D.A. Yuen, Univ. Minnesota
Platekonfigurasjon og platehastighet
Termokjemisk
haug
S-bølge-modeller,
nedre mantel
6 ulike dyp: 900-2800 km
Montelli et al. (2006, GGG)
Jordas topografi er todelt:
Hav: -3.7 km Land: +0.8 km
Dette er IKKE tilfelle for våre naboplaneter:
f. eks. Venus: normalfordelt topografi (unimodal fordeling)
Trykkbølger (P-bølger)
Som lydbølger gjennom luft
Skjærbølger (S-bølger)
Platebevegelser - platetektonikken
Røde prikker: grunne skjelv (< 100 km)
Grønne prikker: middels dype (100-300 km)
Blå prikker: dype (300-700 km)
Konveksjon kan også foregå i
fast materiale
(isbre – jordas mantel)
Modell-tank med to ulike
sukkerløsninger
(Bercovici & Kelly, 1997)
?
Seismisk tomografi
Tyrkia-Russland
Japan, N
Japan, S
Indonesia
Tonga
Mellom-Amerika
Rød farge:
lav bølgehastighet
VARMT
Blå farge:
Høy bølgehastighet
KALDT
Hva driver platebevegelsen ?
Vanlig lærebokillustrasjon:
Er dette sylindriske strømmer, som dette ??
Dette er det jeg har sett:
Det er dette
seismologene ser:
Og dette:
Vertikalsnitt gjennom Jorda:
Burma
Midthavs-rygger:
MAR: Midt-Atlantiske rygg
IHR: Indiske-hav-ryggen.
ØSR: Østlige Stillehavsrygg
Subduction zones
Jordas magnetfelt:
Roterende fast og flytende jernkjerne (roterer med resten av jorda)
Enkel analogi:
Jordas flytende jernkjerne har spiralstrømmer (konveksjon)
MAGNETFELTET
Jordas magnetfelt
Hyppige reverseringer
Utvikling av midthavsrygg
og magnetisk stripemønster
Normal
3.3 Ma
Revers
3.1 Ma
Normal
2.7 Ma
Revers
1.4 Ma
Normal
i dag
Havbunnens alder
millioner år (Ma)
Ma