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

Refraktórne1800-1420 K

Re, Os, W, Yb, Zr, Ti, Lu, Ca, Ir, Ru

Majoritné1350-1300-1250 KMg, Cr, Si, Fe, Co,

Ni, Pd

Stredne prchavé (moderately

volatile)1267-1250-648 K

P, Li, Au, Mn, Na, K,Ga, B, Se, S

Tvoriace ľad< 300 K

H, C, N,...

10 Pa

Diferenciačný proces v hmlovine – podľa kondenzačných teplôt• v menších heliocentrických vzdialenostiach skondenzovali len

prvky s vyššími kondenzačnými teplotami • prchavé prvky v plynnej fáze boli aktivitou Slnka vypudené do

väčších heliocentrických vzdialeností, • tam už mohli skondenzovať – v joviálnych planétach a ich

mesiacoch prevládajú volatily, ľady (metán), sú tam aj majoritné prvky

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)

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.

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, REEChalkofilné (gr. chalkos = síra) –

viažu sa do sulfidovSiderofilné (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)

Povrch Zeme, zemská kôra

Plášť Zeme, tuhá látka, hornina

Rozhranie jadro – plášť, 2891 km

Atmosféra Zeme, výška 20-25 km

Kvapalné jadro ZemeRozhranie kvapalné - tuhé jadro, 5150 kmTuhé jadierko

Stred Zeme, 6372 km, tlak 364 GPa = 3,6 mil. atm, teplota 5000 K

Tri gigantické tepelné stroje1. 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)

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 – 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 kmPlášť – spodný (hranice: 660 – 2890 km), jeho súčasťou je dôležitá D“ vrstva v najspodnejšej časti CMB – rozhranie jadro-plášťKvapalné (vonkajšie) jadro–hranice: 2890–5155 km ICB – inner core boundaryPevné (vnútorné) jadro–hranice: 5155 – stred Zeme

Kôra – hrúbka 5-70 km, krehká, dopukanáPlášť – peridotity (olivíny+pyroxény,...)Kvapalné jadro – Fe+Si,S,O,..Tuhé vnútorné jadro – ε-Fe

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 precho- dovej 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 snímokNiekoľko 100 km paralelne s pobrežím.Zlom je aktívny, má transformné pohybya 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 geologickejminulosti 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.

OIB

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 temerrovnaké po celej dĺžke týchto divergentných zón (60 000 km).

Druhým typom konvekcie nezávislým od pohybu dosiek je plume-ový mód. Tvorí ho stúpajúci teplý materiál z D“ vrstvy a jeho „hlava“ sa môže dostať až na povrch. Plume-y súvisia s tzv. horúcimi bodmi, ktoré nemusia koincidovať s 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 OIBsa však chemicky líšia, teda musí existovať niekoľko rezervoárov pre OIB.

OIB plume horúce škvrny

MORB

Konvekcia vrstvová-“660 km“ oddeľuje2 vrstvy, dosky cez ňu neprechádzajú

Konvekcia celoplášťová – „660 km“ nie jepre dosky podstatnou prekážkou

OIB

Dva možné scenáre konvekcie v plášti

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 plášťasa dostane na povrch a z povrchu klesá až do spodného plášťa,

• alebo je v dvoch vrstvách, t.j. v hornom plášti cez stredo-oceánske 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) objemo- vých vĺn v rôznych hĺbkach

• modrá farba – oblasti väčších rýchlostí ako stredná hodnota (asi studený materiál – litosfé- rické 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.

Ukážka prerazenia rozhrania v 660 km hĺbke.

Ukážka výpočtu plumov, ktoré stúpajú nahor a majú dvojitú „hlavu“, lebo cez 660 km diskontinuitu ťažšie prenikali a druhá „hlava“ je na povrchu Zeme.

I. Dynamika středu Země

Vesmír, 77/2, 1998, 78 - 84

R. Jeanloz,

B. Romanowicz