Úvod do fyziky Zeme (pre študentov - bakalárov) 20.10.2010

1. Úvod do fyziky Zeme (pre študentov - bakalárov) 20.10.2010 Vznik Zeme Plášťová konvekcia a geodynamo

2. 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

3. 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

4. Klasifikácia chemických prvkov podľa kondenzačných teplôt

5. 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, Ga, B, Se, S Tvoriace ľad < 300 K H, C, N,... • 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

6. 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)

7. Klasifikácia meteoritov – základné dve triedy # - pôvod z diferencovaných rodičovských telies (žlté) #- pôvod z nediferencovaných rodičovských telies (modré)

8. Klasifikácia chondritov podľa pomeru prvkov Mg/Si Uhlíkaté chondrity CI sú najzaujímavejšie z hľadiska posudzovania vývoja Zeme

9. 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.

10. 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

11. Etapy vývoja Zeme – BE (Bulk Earth) BSE (Bulk Silicate Earth) – primitívny plášť Železité jadro už bolo oddelené, kôra nebola vytvorená

12. Osudy chemických prvkov v Zemi – určené podľa ich chemických a fyzikálnych vlastností 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 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.

13. 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-Pburčený bol vek Zeme. U-nekompatibilný, Pb-chalkofil uložený v jadre, volatil. • Rb-Srurčená 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

14. Geochemické rezevoáre – najdôležitejšie z nich: DM (DMM), OIB, CC,

15. Kontinentálna kôra rástla asi po etapách (progresívny scenár), nie naraz (recyklačný scenár)

16. Tri gigantické tepelné stroje • V neutrálnej atmosfére od povrchu do výšky troposféry,15-20 km, procesy v nej určujú počasie a klímu (skúmajú meteorológovia a klimatológovia) • V plášti Zeme, procesy v ňom súvisia s pohybmi litosférických dosiek a prenosu materiálu „hore“ a „dole“ v plášti (skúmajú geofyzici, geológovia) • 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

17. 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 informáciepriamo 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, leboniektoré povrchové štruktúry „miznú“ v hlbinách Zeme pri tektonických pohyboch a „stráca“ sa tak informácia o stave v dávnej geologickej minulosti – nepamätá si históriu

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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)

22. 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)

23. Závislosť rýchlosti šírenia priečnych (S-wave) a pozdĺžnych (P-wave) seizmických vĺn na hĺbke v km v radiálnom PREM modeli

24. Seizmické diskontinuity v precho- dovej vrstve plášťa sú dôsledkom fázových prechodovolivínu (tuhý roztok forsteritu a fayalitu). Fázové prechody - zmena kryštalografickej sústavy do tesnejšíchštruktúr - 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 sklonje 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.

25. Súčasné rozmiestnenie a ohraničenie litosférických dosiek

27. Základné pohybové trendydosiek a 3 typy kontaktu - hraníc

28. Mapa povrchovej geomorfológie kontinentov a podmorských stredo-oceánskych chrbtov – celkom asi 60 000 km „pohorí“

29. 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

30. Hranice dosiek koincidujú s epicentrami zemetrasení, vulkánov a zvýšeného tepelného toku

31. Mapa epicentier zemetrasení za obdobie 1978-1987

32. 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.

33. 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.

36. A v budúcnosti nás čaká stav, keď do Ameriky pôjdeme autom cez Afriku

37. 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.

38. 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). Dva možné scenáre konvekcie v plášti MORB OIB Konvekcia vrstvová-“660 km“ oddeľuje 2 vrstvy, dosky cez ňu neprechádzajú 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 OIB OIB plume horúce škvrny Konvekcia celoplášťová – „660 km“ nie je pre dosky podstatnou prekážkou 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.

39. 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).

41. 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 stredo-oceánske chrbty vystupuje asténosférický materiál • a v spodnom plášti môže byťprimordiálny materiál • (pôvodný materiál z raného štádia vývoja Zeme), • ktorý sa cez plume-y môže tiež dostať na povrch, • v oblastiach horúcich škvŕn (hot spots).

42. 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

43. Model konvekcie v guľovej vrstve zohrievanej zospodu, vo vrstve je homogénna látka s viskozitou nezávislou od teploty. Modré útvary sú klesajúce chladné toky a červenéstúpajúce teplejšie. Modré majú pretiahnutý úzky tvar – podobá sa to na klesajúce litosféricke dosky.

44. I. Dynamika středu Země Vesmír, 77/2, 1998, 78 - 84 R. Jeanloz, B. Romanowicz 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.