Geologie : Profs. Eddy Keppens en Philippe Claeys...

Geologie : Profs. Eddy Keppens en Philippe ClaeysInleiding les: Vorming en dynamica van een actieve planeet

[email protected] / we.vub.ac/~dglg

1Thursday 10 February 2011

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Big bang 13.7 Ga (miljard jaren, giga annum)

Text

Concept “expanding universe”

Fusie van lichte elementen om zware elementen te vormen (+ E en deeltjes) Enkel onder de zeer hoge temperaturen en drukken binnen sterren

Start met H (1p +1e-) fusie = D + H = 3He +3He = 4He 12C etc. tot ~ 92

Kosmochemie: Oorsprong van de elementen : “we are all made of star dust”

H H

Deuterium

+e

3He

2x

4He12C

Over 13.7 Ga wordt de afstand tussen galaxies steeds groter

Zoals rozijnbolletjes in kramikbrood, naarmate de tijd vorderd expandeert het geheel waardoor de galaxie verder en verder uit elkaar evolueert


H-fusie

H-rijk gas

He-fusie

He-rijk gas

In kleine ster (de zon) 106 °K

H-fusieHe-fusie

C-fusie

Ne-fusie

O-fusie

Si-fusieFe kern

Na een contractie fase gaat de ster in supernova waarbij nieuwe elementen worden gevormd en door de explosie in de galaxie worden verdeeld

Elementen > Fe in supernova fase of door neutronen-vangst.

T & P stijgen

http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/crab-nebula-surprise.htmlLectuur: First stars.pdf

Grotere ster >> 106 °K (>>10x de zon)

NASA animation supernova explosion

NASA stereo satellite

Log

rel.

abun

. (Si

=10

4 )

Z nr.

Cosmische concentratie


http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/crab-nebula-surprise.html


H-fusie

H-rijk gas

He-fusie

He-rijk gas

In kleine ster (de zon) 106 °K

H-fusieHe-fusie

C-fusie

Ne-fusie

O-fusie

Si-fusieFe kern

Na een contractie fase gaat de ster in supernova waarbij nieuwe elementen worden gevormd en door de explosie in de galaxie worden verdeeld

Elementen > Fe in supernova fase of door neutronen-vangst.

T & P stijgen

http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/crab-nebula-surprise.htmlLectuur: First stars.pdf

Grotere ster >> 106 °K (>>10x de zon)

NASA animation supernova explosion

Crab nebula (Hubble telescope image) is wat overblijft van een supernova explosie

NASA stereo satellite

Log

rel.

abun

. (Si

=10

4 )

Z nr.

Cosmische concentratie




- Zon + 8 (9) planeten + > 58 satellieten vormen zich 4.6 miljard jaar geleden

- Alle planeten samengesteld uit hetzelfde oorsprongelijk, primordiaal materiaal van de zonnenevel (solar nebula) = een grote wolk gas en stof (meestal H, He, + zeldzame elementen waarbij de concentratie daalt met stijgende Z)

-Zonnestelsel is een laatkomer en dus een meer ontwikkeld stelsel

Oorsprong van de aarde en van de andere planeten

Vorming van het zonnestelsel


Stap 2:Snellere rotatie + contractie, korrels van gas en stof naar centrum, vlakker tot schijf, meer en meer botsingen tussen atomen

Stap 3:Gravitatie induceert enorme druk en temperatuur in het centrum: hete “proto-zon” schiet in brand, (ca. 100,000 jaar om van nebula tot H fusie ster te gaan)

Stap 4:Weg van “proto-zon”: koud genoeg om gas te condenseren: Gesteenten worden gevormd en in 10 - 40 miljoen jaar hechten ze zich vast aan elkaar: accretie in “protoplaneet” die groeit door ophoping van puin. Ruimte begint op te klaren, warmte van de zon kan doordringen.

. .... ..

....

..

T= 8 000 000 °K

T < 10,000 °K

T-Tauri stage

T T

Stap 1:I n k r imp i n g v a n n ebu l a , s t o f + g a s samengedrukt nebula begint te roteren


Reeks van condensatie voor een gas met zonne-samenste l l ing (1 s te refractaire elementen W, Os, Zr etc. op het einde vluchtigere elementen Ar, He, H etc.). 1st solidus fasen “CaAl inclusions”

Gevormd minerals reageren met gas

Kleine gesteente-planeten waren te warm en te licht massa om door gravitatie de vluchtigere elementen vast te houden. Ijs, en gas accumuleren hierdoor verder van de zon en vormen zo de zeer grote gas-planeten Lectuur Jovian.pdf

Groter en groterte lichamen worden elk op hun baan stap voor stap gevormd door accretie en botsing met andere lichamenLectuur Accretion.pdf




Water ?






Water ?



Vorming van planetaire embryo’s



Puin blijft hangen tussen Mars en Jupiter en vormt zo de asteroïden-gordel. Ten gevolge van de enorme gravitatie van Jupiter is er geen accretie mogelijk (en dus geen planeetvorming mogelijk) in deze regio van het zonnestelsel. http://www.nineplanets.org/nineplanets.html


Water ?



Vorming van planetaire embryo’s


http://www.nineplanets.org/nineplanets.html

http://www.nineplanets.org/nineplanets.html

Asteroïden gordel: bron van meteorieten

Eros 33 km Veel botsingen, de fragmenten v a l l e n o p a a r d e a l s meteorieten: zeer fijn stof tot stuk >> km, op aarde regen van fijn meteorieten-materiaal

Veel asteroïden zijn te klein (niet warm genoeg) voor differentiatie (= vormen van kern, mantel en korst zoals bv. aarde), anderen kunnen dit wel

• Ook van Mars en de Maan• 3 groepen : steen, ijzer en steenijzer: Steen: silicaten, Ijzer: meestal Fe-Ni mineralen bv. kamaciet• Meteorieten met “chondrules” (chondriet=steen) zijn zeer primitieve voorwerpen, die veel

infomatie geven over het begin van de evolutie van het zonnestelsel• Koolstofrijke chondrieten bevatten organisch materiaal• Bekende meteorieten : Allende, Murchison, Canyon Diablo...

http://www.nhm.ac.uk/nature-online/space/meteorites-dust/

1 van grootste in Zuid Africa




Fe-meteorieten komen u i t kern van grote a s t e r o ï d e n , h u n samenstelling = kern van aarde Fe, Ni, S. Typische herkenbare pattern van kamaciet vs taenite (Fe/Ni verhouding)

CAI: 1st solidus fase in zonnestelsel: ~ 1800˚k, 4.567 Ga = ouderdom van aarde Radiometrische datering U/Pb

Verzameling op Antarctica

37.000 tons/jaar ET material valt op aarde meestal als zeer fijn materiaal

gekleurd electron microscoop foto

10µm

IDP:interplanetary dust particles

Koolstofrijke chondriet bevat H2O

10 cm

primitieve versus gedifferentieerde meteoriten

10 cm

metaal zichtbaar


Differentiatie en evolutie van de aarde

• De proto-aarde was zeer warm, materiaal gedroeg zich bijna als vloeistof

• Differentiatie leidt tot de inwendige structuur van de aarde: 3 “lagen” Kern, Mantle, Korst

• Zware, siderofiele elementen met hoge dichtheid zinken door de effecten van gravitatie en rotatie, de lichtere blijven drijven: Vorming van Kern (Fe, Ni), Mantel (Fe, Mg Silicaten) en korst (Na, K, Al Silicaten)

• Inslag op jonge-aarde van planeet zo groot als Mars (Theia), puin rond de aarde, daaruit werd de maan gevormd

• Asteroiden (en kometen) inslagen brengen H2O en andere vluchtige elementen

Rond door graviteit en warmte

Maan vorming inslag

Differentiate

Accretie fragmenten

groter en groter

Theiaproto-Aarde

H2O meteorite delivery


< 100 miljoen jaar

Kern 11g/cm3

• Differentiatie door warmte van accretie-proces (A), blijft tot vandaag warm door radioactiviteit (C)

• Warmteoverdracht : geleiding, convectie en straling

• De oppervlak/massa verhouding is belangrijk voor de thermale geschiedenis van de planeet

• Aarde is een actieve planeet (vandaag U, Th, K radioactieve verval)

• Maan is niet meer actief !

38000˚K 1500˚K

26Al 9500˚K; 60Fe 6000˚K

Bron van warmte


< 100 miljoen jaar

Kern 11g/cm3

• Differentiatie door warmte van accretie-proces (A), blijft tot vandaag warm door radioactiviteit (C)

• Warmteoverdracht : geleiding, convectie en straling

• De oppervlak/massa verhouding is belangrijk voor de thermale geschiedenis van de planeet

• Aarde is een actieve planeet (vandaag U, Th, K radioactieve verval)

• Maan is niet meer actief !

38000˚K 1500˚K

26Al 9500˚K; 60Fe 6000˚K

Bron van warmte

Magma oceaan500 km diep4.5 Ga


Fe-meteoriet equivalent

Naar hoge druk en ºT fasen

korst 5 tot 70 km

mantel 2900 km

kern 3471 km

atmosfeer & hydrosfeer

10 km

Oeratmosfeer? Zeker CO2-rijk(> 103x380 ppm van vandaag)

Uitgasing van de planeet+meteorieten = H2O

Magma oceaan koelt snel af

Zodra de korst koud genoed is, wordt een oceaan gevormd (4.4 Ga geleden), ook continenten beginen te vormen

Mantel minder en minder actief met tijd

U, Th, K verval als energie bron

Lectuur early-earth.pdf druk in kern: ~ 3.6 106 atm


De Maan

• Niet alle satelieten werden door een inslag gevormd, meestal vangst proces

• De talrijke inslagkraters op de Maan getuigen van de periode met hevige bombardementen, rond 3.9 miljard jaren geleden: “Heavy bombardment period”. De jonge planeten werden vaak getroffen door asteroïden en andere brokstukken

• Basalt “maria” (donker kleur) gevormd door vulkanische uitbarstingen > 3 Ga geleden, korst is anorthosiet

• Geen water, geen atmosfeer, mantle vast, planeet is dood

• Gedetaillerde kartering (Clementine NASA mission bv. zie google Moon) en meer dan 300 kg stalen teruggebracht op aarde tijdens de Apollo program (1970)

lectuur maan.pdfMovies: Luna2, origin of moon


Samenvatting figuur: Oorsprong van Aarde en Maan


Samenstelling van de Aarde

N2 78,08%O2 20,95%

H2O 0,01-0,03 %Ar 93%

CO2 390 ppmNe 18 ppmHe 5 ppm

CH4 2 ppmKr 1 ppm

Atmosfeer

Cl- 19,4 g/l

Na+ 10.8 g/l

Mg++ 1.3 g/l

SO2-- 2.7 g/l

Ca++ 0.4 g/l

K+ 0.4 g/l

HCO3- 0.1 g/l

Br- 0.07 g/l

Sr++ 0.01 g/l

F- 0.001 g/lSi 3 ppmN 0.5 ppmP 0.07 ppmFe 10 ppb

Oceaan

Aarde in wt% (gewicht %) (korst + mantel + kern)

Korst


Topografie van de Aarde

Hypsometrisch diagram

Duidelijk verschil tussen continentale en oceanische korst door verschil in hum mineralogie en samenstellingen


Structuur van de Aarde

“lite” graniet en zware basalt

Lithosfeer is vast met harde gesteentenAstenosfeer is meer plastische, 1% gesmolten materiaal: beweging is mogelijk (maar traag)

d=~3.1 gcm-3d=~2.7 gcm-3

5 km30 tot 60 km

Korst / lithosfeer grens = Mohorovicic discontinuiteit


vast & koud

warm & meer

platische

(> 1280 ºC)

traag beweging

Astenosfeer = de (bijna) plastische laag in de boven mantel


VUB

Ijskap van ~ 15.000 jaar geleden

Holoceen klimaat is warmer, ijs smelt, zee vormt en Scandinavië stijgt tussen 0.5 en 1 m / 100 jaar

= glacial rebound

Bewijs van isostatische “rebound”


Korstplaten

De korst is door ± 12 platen gevormd, de platen bewegen door de geologische tijd, ze “drijven” op de meer vloeibare lagen (astenosfeer - convectie)

NB: sommige zijn 100% oceanisch (Pacific), andere hebben zowel oceanische als continentale korst (South America) andere enkel maar continentale korst (Arabian)


Korstplaten (andere visie)


De snelheid van de platenbeweging kan variëren in geologische tijd, er bestonden perioden (zoals het Krijt) wanneer de platen sneller gingen en dus de vorming van oceanische korst veel actiever was. Meer mantel activiteit = meer convectie = meer vulkanisme, dus meer CO2 in de atmosfeer !

Beweging snelheid (cm/jaar)


Aardbevingen aan plaatcontacten

Bijna alle aardbevingen vinden plaats aan plaatranden, meestal aan convergerende plaatranden langs de subductie zone, maar ook waar continentplaten tegen mekaar duwen en/of wrijven


PlaatrandenConvergerende = destructieve, oude

korst wordt gerecycleerdDivergerende = constructieve nieuwe

korst wordt geproduceert

Conservatieve met horizontale wrijving

Transforme breuk(Transform boundary

transform fault)

Subductiezone (subduction zone, trench, convergent

margin)

Mid-oceanische rugzone (oceanic ridge, spreading boundary)

html animation: basic plate boundaries


• Directe observatie niet mogelijk ! (diepste boring < 10 km, nog altijd in korst)

• Fysische eigenschappen: Dichtheid van aarde: 5.5 g/cm3 maar korst: 2.2 tot 2.5 g/cm3

• Lab. experiment : hoge druk mantel-mineralen gemaakt in hoge-druk-apparaten

• Meteorieten: ijzer = kern & steen = mantel en korst

• Seismologie: beste gegevens komen van geofysich onderzoek, door de studie van aarbevingsgolven worden de grenzen tussen de verschillende concentrische lagen bepaald

Inwendige structuur van de Aarde

Epicentrum is punt van max. intensiteit aan oppervlakteHypocentrum is precies waar de dislocatie gebeurt (1 tot ± 700 km)

Aardbeving gebeurt door verschuiving langs een breuk

Breuk


Tektonische spanningen bouwen langzaam (>> jaren) op in de gesteenten van de korst

Plots, aan het zwakste punt verplaatsen de 2 blokken zich langs een breuk-vlak om de opgestapelde spanningen te ontspannen

Door de beweging komt energie vrij, meestal als aardbevingschokgolven = de aardschok

Mechanisme

Andere reden• Vulkanische uitbarsting• Magma beweging diep onder vulkan• Mega-landverschuiving• Grote meteoriet inslag• Nucleaire-bomb test


3 soorten van golven:

-snelle longitudinale P

-tragere transversale S

uitgestuurd naar beneden,door de aarde

-traagste oppervlakte L & R

Voortplantingssnelheid hangt af van fysische kenmerken van het gesteente, druk en Tº

hoe harder gesteenten = hoe snellere golven zich voortplanten

Snelheid van S is evenredig met elasticiteitmodulus : dus 0 in liquidus !

P: Compressie S: vormverandering


Aardbevingsgolven

P

S R & L


Oppervlakte Love & Rayleigh golven


SeismograafPrincipe: Inertie is gebruikt om de intensiteit van seismische golven te meten. Slingers met grote slingertijd meten de verticale en horizontale bodembeweginscomponenten in verschillende richtingen. Modern en extreem gevoelige instrumenten gebruiken een magneet, beweging van de grond veroorzaakt stroom (in V). Wereldnetwerkvan seismografen(ook gebruikt voor de monitoring van nucleaire proefnemingen (Lectuur: North Korea blast.html).

> beweging > volt

Life aardbevinge: Koninklijke Sterrenwacht België, http://www.astro.oma.be/SEISMO/index.html


http://www.astro.oma.be/SEISMO/index.html




Lokalisatie van een epicentrum is mogelijk door meting van de afstand (aankomsttijd) tussen P en S golven in een aantal stations (min. 3). Looptijd van de golven is de basis van alle seismische interpretaties


Amplitude hangt af van de aard van gesteenten, sedimenten schudden meer dan sokkel en vaak is er “liquefaction” in nat sand of klei

Taiwan (1999) liquefaction van sediment, gebouwen vallen zonder te brekenIn seismische zone, koop een huis op vaste

gesteenten


Top aardbevingen


Tijdens de aardbeving in San Francisco (1906), is de Pacifische plaat ± 4.5m naar het noorden langs de San Andreas breuk verschoven.

De sterkte van een aardbeving wordt met de Richter en/of Mercali schaal uitgedrukt

Richter (magnitude schaal) M=logA waar A de max. amplitude van trilling is, er is dus een groot verschil in energie (10x) tussen een 6 en een 7 magnitude aardbeving

Mercali (intensiteit schaal) drukt de grootte van de schade uit

Lectuur: aardbeving.pdf& San Andreas breuk


Snelle determinatie van Richter magnitude

1) S minus P tijd = afstand epicenter. Afstand is belangrijk omdat golven minder amplitude hebben verder van epicenter

2) amplitude in mm van hoogste golf3) Lijn tussen A en C4) Vindt magnitude op lijn B

Na de aarbeving hebben de seismologen meer tijd en is een meer precieze berekening van de magnitude mogelijk. Dat is waarom de magnitude kan verschillen bv. 1906 in San Francisco wordt de magnitude vaak gegeven als 8.3 maar was eigenlijk 7.9


Energie die vrij komt


Gevolgen van een oceanische aardbeving: zeegolven = Tsunami

lectuur: Quake&tsunami.pdf

2004

Satelliet foto tsunami 2004, 500 m inland in Sri Lanka

Tsunami als beweging belangrijk is op lange afstand


Ondanks veel studies, blijfven voorspellingen van seisme tot nu toe moeilijk

De probabiliteit van een grote aardbeving in de volgende 20 jaren is 20% (1/5 kans)

Westwaartse verplaatsing van de aardbevingen in Turkije

Aardbevingsprobabiliteit langs San Andreas breuk over 20 jaren (1990-2010)


Inwendige structuur waargenomen door middel van de afstand en aankomsttijd van P & S golven op bepaalde plaatsen

S : elasticiteitmodulus = 0 in liquidus kern


Schaduwzone: P golven worden gebroken en verliezen 40% snelheid

Groter S schaduwzone (1/3 wereld), ze gaan niet door de kern, een deel van de kern moet dus vloeibaar zijn (Fe-Ni liquidus fasen)

Mantel - kern grens is de Gütenberg discontinuïteit


In de binnen-kern worden P golven nogmaals gebroken en stijgen terug in snelheid: binnenkern moet dus zeer vast zijn. Grens is de Lehmann discontinuiteit.

Tº= > 4300ºCP= 360 GPa

200 km boven kern-mantel grens is “D layer” zone waar P & S ook in snelheid dalen: veel warmere zone, delen van deze zone zijn misschien g e s m o l t e n . Wa a r s c h i j n l i j k absoorbeert op deze plaats de mantel warmte uit de kern ?


Tº versus diepte: smelt curve voor verschillende mineraal fasen

Wanner de geotherm rechts ligt t.o.v. de smeltcurve: liquidus, vloeibare toestand

Beter visie van hot (rode) & cold (blauw) zones in mantle: seismische tomografie (CAT-scan van de aarde)

Beweging tussen hot & cold zones


Blauw: bezinking koude mantel (downwelling regio)

Geel: stijgende warme zones (upwelling regio)

3 D model van convectie en beweging in de mantel

Lectuur: tomografie.pdf

Rood: kern


De geothermische gradiënt en convectie in de mantel zijn de “motoren” van de platentektoniek en de reden waarom de aardenog vandaag een actieve planeet is.

Mantel bestaat voornamelijk uit vaste gesteenten maar door de hoge Tº, lokale veranderingen in druk, mineraal-chemie en viscositeit kan de mantel ook langzaam vloeien (cm/jaar) (lava lamp).

Bron van warmte : radioactiviteit K, U, Th

2 modellen

2 “layers” comnvectie in boven en lage mantel 1 grote convectie cell in mantel


In de mantel tussen 70 en 250 km is er een andere lage-snelheidszone: de astenosfeer (LVZ) waar materiaal (bijna) gesmolten is.Astenosfeer: plastisch materiaal dat beweging van de bovenliggende platen toelaat. Boven de astenosfeer vormen de stijvere mantel en korst samen de lithosfeer.

Astenosfeer ± 2% gesmolten materiaal

Mantel: ultramafische gesteenten, rijk in Mg & Fe:

Peridotiet = olivijn [(Mg, Fe)2SiO4 ]& pyroxeen [(Mg, Fe)2Si2O6]& spinel[MgAl2O4]


In de mantel zijn bruuske veranderingen in golfsnelheden het gevolg van mineralogische fase veranderingen

Bruuske fase veranderingen(Fe, Mg)2SiO4 (olivijn)Mg2Si2O6 - (Mg-Fe)2Si2O6 (pyroxeen)MgAl2O4 (spinel)Mg3Al2(SiO4)3 (granaat)(Ca, Mg, Fe)TiO3 (perovskiet)(Mg, Fe)O (Mg-wustiet)Al2O3

Vorming van nieuwe mineralogische fase is verantwoordelijk voorde snelheidsveranderingen in de P-golven.

Boven 3 GPa (~80 km)

MgAl2O4 (Mg, Fe)3Al2Si3O12

Boven 24 GPa (~670 km)(Mg, Fe)2SiO4 (Ca, Mg, Fe)TiO3

+ (Mg, Fe)O

~ bijna reproduceerbaar in het lab.


Liquidus metaal van de buitenkern veroorzakte het magneetveld van de aarde. Dynamo theorie: convectie in de buitenkern, de beweging van dit vloeibare materiaal induceert electrische stromen net als een onophoudelijke electromagnetische dynamo.

Het magneetveld


3 D model van de geoïde: equipotential oppervlak van de aarde

Deze morfologie is geassocieerde met de convectie in de mantle: upwelling van warm zone (rood) en downwelling van koude zones (blauw)

Aarde zoals nooit gezien


Samenvatting

Convectie in mantel is de motor van plaatentectoniek

en in buiten kern van het magneetvelt

Grens korst/mantel = Moho

Moho

Lehmann discontinuiteitGütenberg discontinuiteit

plastisch

Energie convectie: verval K, U, Th


Geologie : Profs. Eddy Keppens en Philippe Claeys...

Documents

Transcript of Geologie : Profs. Eddy Keppens en Philippe Claeys...