Transcript Foredrag i power point

Jordas indre struktur og dynamikk
- platedriften i et videre perspektiv
Reidar G. Trønnes
Naturhistorisk museum, Univ. i Oslo
Lithosfæren (jordplatene)
- 80-200 km tykt skall (gj.snitt: 100 km)
- inneholder jordskorpe (7-40 km tykk)
og den øvre, stive delen av mantelen
Asthenosfæren
- diffus sone under lithosfæren
- omtrent på 100 – 350 km dyp
- lav viskositet
Viskositetsprofil, log10 (Pa s)
Steinberger & Calderwood (2006)
Dyp, km
Lithosfæren
Asthenosfæren
Mantel-kjerne-overgangen
Energikilder for strømningene i kjerne og mantel ("Jord-maskinen”):
Total indre energi: 46 TW (85% fra mantel og kjerne)
7 TW fra jordskorpa:
radioaktivitet fra U, Th, K (godt fastlagt)
ingen betydning for Jordas indre konveksjon-dynamikk
31-34 TW fra mantelen:
radioaktivitet fra U, Th, K og avkjøling
5-8 TW fra kjernen
krystallisasjonsvarme og avkjøling
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
Jordas hovedstruktur
fra seismologi (bl.a. globale svingninger etter store jordskjelv) og tyngdefelt
Modellen gir meget godt
fastlagt tetthet og trykk
som funksjon av dypet
Temperatur: holdepunktene
660 km-grensen:
Faseovergang til mineralet perovskitt ved 24 GPa
Adiabatisk gradient for mantelen:
under smeltekurven for stein
Kjerne-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
Metallpakning
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 (store 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-lavhastighetslinser (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
Avbildning av hastighetsvariasjoner
i 2 eller 3 dimensjoner
Seismisk tomografi: store T-variasjoner øverst og helt nederst i mantelen
Dyp, km
Dyp, km
S-bølge-kontrast, %
S-bølge-modeller, D”-sonen
To store antipodale lavhastighets-områder (LHO - LLSVP)
Afrika – Stillehavet (nær ekvator - 180º separasjon)
Sirkumpolarbelte med høye hastigheter
Afrika
Stillehavet
Dziewonski et al.
(2010, EPSL)
Dette mønsteret faller sammen
med geoiden: Jordas ”overflateform”
(sfærisk harmonisk grad-2-mønster)
Trønnes (2010, Mineral.Petrol.)
Termiske oppdriftsbobler og søylestrømmer fra kjernegrensen:
nye indikasjoner fra paleo-geografisk rekonstruksjon av store basaltprovinser (SBP)
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)
Oslo-feltet !
SCLIP, 300Ma
SC
Afrika
Stillehavet
–3%
sakte
Burke & Torsvik, 2004, EPSL
Torsvik et al., 2006, GIJ
Burke et al. 2007, EPSL
Torsvik et al. 2008, EPSL
Torsvik et al. 2010, Nature
Platekonfigurasjon og platehastighet
Termokjemisk
haug
Seismisk tomografi-snitt
Nær ekvator
Burma
Midthavs-rygger:
MAR: Midt-Atlantiske rygg
IHR: Indiske-hav-ryggen.
ØSR: Østlige Stillehavsrygg
Subduction zones
Schubert, Turcotte and Olson (2001, Mantle convection
in the Earth and planets. Cambridge Univ. Press)
Omtrentlig ekvatorsnitt
Legg merke til:
1. Platebevegelsen er stedvis mot fremherskende mantelstrøm i øvre mantel
Trønnes (2010, Mineral. Petrol)
2. Ingen dyp og sterk oppstrøm under
midthavsryggene. Disse er passive
plategrenser
Vanlige lærebok-illustrasjoner:
Tredimensjonalt:
Er dette ”semi-sylindriske” strømmer ??!!
Semi-sylindriske konveksjonsceller er ikke en god modell.
- Dype og aktive oppstrømmer under midthavsryggene eksisterer ikke
- Midthavsryggene er grunne (<300 km) fenomener med tilfeldig lokalisering
(der lithosfærebrudd oppstår som følge av tensjon)
- Hovedområdet for subduksjon de siste 200 Ma er det brede sirkum-polare
(og sirkum-Pacifiske) beltet som er koplanært med Jordas rotasjonsakse
Dziewonski et al.
(2010, EPSL)
Hva driver platebevegelsen ?
Krefter som påvirker platebevegelsen
- Lithosfæreplatene glir ned fra midthavsryggene, som
rager 2-4 km høyere enn dyphavs.slettene
- Litosfæreplatene er så tunge at de synker nedover
langs subduksjonssonene. Dette er kanskje viktigst
fordi plater med stor netto subuksjonslengde (i
retning av platebevegelsen) har stor hastighet
- Store kontinenter med dype lithosfærerøtter bremser
platebevegelsen
Trønnes (2010, Mineral. Petrol)
Jordas rotasjonsakse er knyttet til massefordelingen og geoiden
Steinberger and Torsvik (2010, GGG)
Virkelig rotasjonsakse:
samlete massebidrag: LHO +
subdusert masse i ØM og OS
Beregnet rotasjonsakse kun
fra LHO-bidragene (tungt og varmt materiale)
Seismisk tomografi:
Dziewonsky et al. (2010, EPSL)
Sammenligning av seismisk tomografi i D”
med en modell for lithosfære-oppsamling
Subdusert lithosfære-model:
Sfærisk harmonisk analyse (SHA)
SHA-spektrum
Akkumulert spektrum
Tomographic
models
Slab model
2. grads topp
2. grad
Preliminære konklusjoner
1. Det sterke 2. grads-mønsteret fra tomografien er kun i liten grad
reprodusert av modellen for lithosfære-oppsamling (i 300 Ma)
Lithgow-Bertelloni & Richards
(1998, Rev. Geophys.)
2. D”-strukturen kan være urgammel (>>300 Ma, kanskje >4 Ga)
Hva er materialet i de to antipodale lavhastighetsområdene ?
Basalt-dominert
- separert fra subdusert lithosfære
- stort alders-spenn: 0-4 Ga
Peridotittisk (eller komatiittisk) med høyt Fe/Mg-forhold
- kumulater fra magmahav-kystallisering eller smeltemateriale fra
deloppsmelting på stort dyp
- Hadeisk alder (sannsynligvis > 4.2 Ga)
LHO (LLSVP): ca. 300 km tykke - ofte bratte marginer
Krav til det tunge materialet:
- moderate tetthetskontrast (2-4 %)
- høyere bulk modulus (stivhet) enn omgivende mantel
- geokjemisk masse-balanse
Garnero & McNamara
(2008, Science)
Høy termisk konduktivitet og lav termisk utvidelse i materialene
kan bidra til å stabilisere de tunge antipodale områdene
Mantel-mineralogi
Irifune & Tsuchiya (2007, Treatise on Geophys.)
Ricolleau et al. (2010, JGR)
Grocholsky et al. (2012, PNAS)
Tetthet og stivhet for mineralene i peridotitt og basalt
K0 (GPa)
Mg-pv 230-260
Ca-pv
236
bløtest: ferroper. 158-152 (FeO-MgO)
stivest: silica 314-325 (stish. - aPbO2)
Basalt: høy r, høy K0
men silika-mineralene er lette
Vanlig peridotitt: pv, fp, (Ca-pv)
lavere r, lavere K0
Materialet i lavhastighets-områdene
- fremdeles uavklart
- kan være Hadeisk, f.eks. Fe-rike peridotitter
(kumulater, dype smelte-produkter)
Nye fremskritt: 2004 – i dag
Mineralogi og mineralfysikk
Teoretiske, første-ordens beregninger ("ab initio”)
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 ( >300 Ma → Proterozoikum → Hadeikum ??)
Toneangivende "Oslo-gruppe”, Trond Torsvik et al.
Meget generell konklusjon
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