Geologie : Profs. Eddy Keppens en Philippe Claeys Inleiding les

Geologie : Profs. Eddy Keppens en Philippe Claeys
Inleiding les: Vorming en dynamica van een actieve planeet
[email protected] / we.vub.ac/~dglg
Thursday 10 February 2011
1
Big bang 13.7 Ga (miljard jaren, giga annum)
Zoals rozijnbolletjes in kramikbrood, naarmate de tijd
vorderd expandeert het geheel waardoor de galaxie verder
en verder uit elkaar evolueert
Concept
“expanding universe”
Over 13.7 Ga wordt
de afstand tussen
galaxies steeds groter
Text
Kosmochemie: Oorsprong van de elementen : “we are all made of star dust”
Start met H (1p +1e-) fusie = D + H = 3He +3He = 4He
H
Fusie van lichte elementen om zware
elementen te vormen (+ E en deeltjes)
Enkel onder de zeer hoge temperaturen
en drukken binnen sterren
Thursday 10 February 2011
12C
etc. tot ~ 92
H
+e
2x
Deuterium
3He
4He
12C
2
Grotere ster >> 106 °K (>>10x de zon)
H-fusie
He-fusie
C-fusie
Ne-fusie
O-fusie
Si-fusie
Fe kern
T & P stijgen
H-fusie
He-fusie
He-rijk gas
Log rel. abun. (Si=104)
In kleine ster (de zon) 106 °K
H-rijk gas
NASA animation supernova explosion
Na een contractie fase gaat de ster in supernova
waarbij nieuwe elementen worden gevormd en
door de explosie in de galaxie worden verdeeld
Cosmische concentratie
Elementen > Fe in supernova
fase of door neutronen-vangst.
Z nr.
NASA stereo satellite
http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/crab-nebula-surprise.html
Lectuur: First stars.pdf
Thursday 10 February 2011
3
Grotere ster >> 106 °K (>>10x de zon)
H-fusie
He-fusie
C-fusie
Ne-fusie
O-fusie
Si-fusie
Fe kern
T & P stijgen
H-fusie
He-fusie
He-rijk gas
Log rel. abun. (Si=104)
In kleine ster (de zon) 106 °K
H-rijk gas
NASA animation supernova explosion
Crab nebula (Hubble telescope image) is wat
overblijft van een supernova explosie
Na een contractie fase gaat de ster in supernova
waarbij nieuwe elementen worden gevormd en
door de explosie in de galaxie worden verdeeld
Cosmische concentratie
Elementen > Fe in supernova
fase of door neutronen-vangst.
Z nr.
NASA stereo satellite
http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/crab-nebula-surprise.html
Lectuur: First stars.pdf
Thursday 10 February 2011
3
Oorsprong van de aarde en van de andere planeten
- 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
Vorming van het zonnestelsel
Thursday 10 February 2011
4
Oorsprong van de aarde en van de andere planeten
- 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
Vorming van het zonnestelsel
Thursday 10 February 2011
4
Stap 1:
Inkrimping van nebula, stof + gas
samengedrukt nebula begint te roteren
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)
T < 10,000 °K
T= 8 000 000 °K
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
Thursday 10 February 2011
T-Tauri stage
.
. ..
. .
T
5
Reeks van condensatie voor een gas
m e t z o n n e - s a m e n s t e l l i n g ( 1ste
refractaire elementen W, Os, Zr etc.
op het einde vluchtigere elementen
Ar, He, H etc.). 1st solidus fasen “CaAl
inclusions”
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
Gevormd minerals reageren met gas
Groter en groterte lichamen worden
elk op hun baan stap voor stap
gevormd door accretie en botsing
met andere lichamen
Lectuur Accretion.pdf
Thursday 10 February 2011
6
Reeks van condensatie voor een gas
m e t z o n n e - s a m e n s t e l l i n g ( 1ste
refractaire elementen W, Os, Zr etc.
op het einde vluchtigere elementen
Ar, He, H etc.). 1st solidus fasen “CaAl
inclusions”
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
Gevormd minerals reageren met gas
Groter en groterte lichamen worden
elk op hun baan stap voor stap
gevormd door accretie en botsing
met andere lichamen
Lectuur Accretion.pdf
Thursday 10 February 2011
6
Reeks van condensatie voor een gas
m e t z o n n e - s a m e n s t e l l i n g ( 1ste
refractaire elementen W, Os, Zr etc.
op het einde vluchtigere elementen
Ar, He, H etc.). 1st solidus fasen “CaAl
inclusions”
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
Water ?
Gevormd minerals reageren met gas
Groter en groterte lichamen worden
elk op hun baan stap voor stap
gevormd door accretie en botsing
met andere lichamen
Lectuur Accretion.pdf
Thursday 10 February 2011
6
Reeks van condensatie voor een gas
m e t z o n n e - s a m e n s t e l l i n g ( 1ste
refractaire elementen W, Os, Zr etc.
op het einde vluchtigere elementen
Ar, He, H etc.). 1st solidus fasen “CaAl
inclusions”
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
Water ?
Gevormd minerals reageren met gas
Groter en groterte lichamen worden
elk op hun baan stap voor stap
gevormd door accretie en botsing
met andere lichamen
Lectuur Accretion.pdf
Thursday 10 February 2011
6
Reeks van condensatie voor een gas
m e t z o n n e - s a m e n s t e l l i n g ( 1ste
refractaire elementen W, Os, Zr etc.
op het einde vluchtigere elementen
Ar, He, H etc.). 1st solidus fasen “CaAl
inclusions”
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
Water ?
Gevormd minerals reageren met gas
Groter en groterte lichamen worden
elk op hun baan stap voor stap
gevormd door accretie en botsing
met andere lichamen
Lectuur Accretion.pdf
Vorming van planetaire embryo’s
Thursday 10 February 2011
6
Reeks van condensatie voor een gas
m e t z o n n e - s a m e n s t e l l i n g ( 1ste
refractaire elementen W, Os, Zr etc.
op het einde vluchtigere elementen
Ar, He, H etc.). 1st solidus fasen “CaAl
inclusions”
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
Water ?
Gevormd minerals reageren met gas
Groter en groterte lichamen worden
elk op hun baan stap voor stap
gevormd door accretie en botsing
met andere lichamen
Lectuur Accretion.pdf
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
Thursday 10 February 2011
6
Asteroïden gordel: bron van meteorieten
Eros 33 km
Veel botsingen, de fragmenten
vallen op aarde als
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:
1 van grootste in Zuid Africa
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/
Thursday 10 February 2011
7
primitieve versus gedifferentieerde meteoriten
metaal zichtbaar
10 cm
10 cm
Koolstofrijke chondriet bevat H2O
gekleurd electron microscoop foto
Verzameling
op Antarctica
37.000 tons/jaar ET material valt op
aarde meestal als zeer fijn materiaal
IDP:interplanetary
dust particles
10µm
Thursday 10 February 2011
Fe-meteorieten komen
u i t ke r n v a n g ro t e
asteroïden, hun
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
8
Differentiatie en evolutie van de aarde
Rond door graviteit en warmte
Accretie
fragmenten
groter en groter
Differentiate
H2O meteorite
delivery
Theia
proto-Aarde
Maan vorming inslag
• 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
Thursday 10 February 2011
9
Kern 11g/cm3
< 100 miljoen jaar
Bron van warmte
38000˚K
1500˚K
• 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 !
Thursday 10 February 2011
26Al 9500˚K; 60Fe 6000˚K
10
Kern 11g/cm3
< 100 miljoen jaar
Bron van warmte
38000˚K
1500˚K
• Differentiatie door warmte van accretie-
proces (A), blijft tot vandaag warm door
radioactiviteit (C)
• Warmteoverdracht : geleiding, convectie
26Al 9500˚K; 60Fe 6000˚K
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)
Magma oceaan
Maan
is
niet
meer
actief
!
•
500 km diep
4.5 Ga
Thursday 10 February 2011
10
Magma oceaan koelt snel af
Oeratmosfeer? Zeker CO2-rijk
(> 103x380 ppm van vandaag)
Uitgasing van de planeet
+meteorieten = H2O
atmosfeer & hydrosfeer
10 km
korst 5 tot 70 km
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
Naar hoge druk en ºT fasen
U, Th, K verval als energie bron
Fe-meteoriet equivalent
Lectuur early-earth.pdf
Thursday 10 February 2011
mantel 2900 km
druk in kern: ~ 3.6 106 atm
kern 3471 km
11
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.pdf
Movies: Luna2, origin of moon
Thursday 10 February 2011
12
Samenvatting figuur: Oorsprong van Aarde en Maan
Thursday 10 February 2011
13
Samenstelling van de Aarde
Aarde in wt% (gewicht %) (korst + mantel + kern)
Korst
ClNa+
Mg++
SO2-Ca++
K+
HCO3BrSr++
FSi
N
P
Fe
19,4 g/l
10.8 g/l
1.3 g/l
2.7 g/l
0.4 g/l
0.4 g/l
0.1 g/l
0.07 g/l
0.01 g/l
0.001 g/l
3 ppm
0.5 ppm
0.07 ppm
10 ppb
Oceaan
N2
O2
H 2O
Ar
CO2
Ne
He
CH4
Kr
Thursday 10 February 2011
78,08%
20,95%
0,01-0,03 %
93%
390 ppm
18 ppm
5 ppm
2 ppm
1 ppm
Atmosfeer
14
Topografie van de Aarde
Hypsometrisch diagram
Duidelijk verschil tussen continentale en oceanische korst door verschil in hum
mineralogie en samenstellingen
Thursday 10 February 2011
15
Structuur van de Aarde
30 tot 60 km
Korst / lithosfeer grens =
Mohorovicic discontinuiteit
5 km
“lite” graniet en
zware basalt
d=~2.7 gcm-3
d=~3.1 gcm-3
Lithosfeer is vast met harde gesteenten
Astenosfeer is meer plastische, 1% gesmolten materiaal: beweging is mogelijk (maar traag)
Thursday 10 February 2011
16
Astenosfeer = de (bijna) plastische laag in de boven mantel
vast &
koud
warm &
meer
platische
(> 1280 ºC)
Thursday 10 February 2011
traag beweging
17
Bewijs van isostatische “rebound”
Ijskap van ~ 15.000 jaar geleden
VUB
Holoceen klimaat is
warmer, ijs smelt, zee
vormt en Scandinavië
stijgt tussen 0.5 en 1 m
/ 100 jaar
= glacial rebound
Thursday 10 February 2011
18
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)
Thursday 10 February 2011
19
Korstplaten
(andere visie)
Thursday 10 February 2011
20
Beweging snelheid (cm/jaar)
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 !
Thursday 10 February 2011
21
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
Thursday 10 February 2011
22
Plaatranden
Divergerende = constructieve nieuwe
korst wordt geproduceert
Mid-oceanische rugzone
(oceanic ridge, spreading boundary)
Transforme breuk
(Transform boundary
transform fault)
Convergerende = destructieve, oude
korst wordt gerecycleerd
Subductiezone
(subduction zone, trench, convergent
margin)
Conservatieve met
horizontale wrijving
html animation: basic plate boundaries
Thursday 10 February 2011
23
Inwendige structuur van de Aarde
• 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
Breuk
Aardbeving gebeurt door
verschuiving langs een breuk
Epicentrum is punt van max. intensiteit aan oppervlakte
Hypocentrum is precies waar de dislocatie gebeurt (1 tot ± 700 km)
Thursday 10 February 2011
24
Mechanisme
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
Andere reden
• Vulkanische uitbarsting
• Magma beweging diep onder vulkan
• Mega-landverschuiving
• Grote meteoriet inslag
• Nucleaire-bomb test
Thursday 10 February 2011
25
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
P: Compressie
S: vormverandering
Snelheid van S is evenredig met
elasticiteitmodulus : dus 0 in liquidus !
Thursday 10 February 2011
26
Aardbevingsgolven
P
S
Thursday 10 February 2011
R&L
27
Oppervlakte Love & Rayleigh golven
Thursday 10 February 2011
28
Seismograaf
Principe: 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
Thursday 10 February 2011
29
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
Thursday 10 February 2011
30
Amplitude hangt af van de aard van gesteenten, sedimenten schudden meer dan
sokkel en vaak is er “liquefaction” in nat sand of klei
In seismische zone, koop een huis op vaste
gesteenten
Thursday 10 February 2011
Taiwan (1999) liquefaction van sediment,
gebouwen vallen zonder te breken
31
Top aardbevingen
Thursday 10 February 2011
32
Thursday 10 February 2011
33
Tijdens de aardbeving in San Francisco (1906), is de Pacifische plaat ± 4.5m naar het
noorden langs de San Andreas breuk verschoven.
Lectuur: aardbeving.pdf
& San Andreas breuk
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
Thursday 10 February 2011
34
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 golf
3) Lijn tussen A en C
4) 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
Thursday 10 February 2011
35
Energie die vrij komt
Thursday 10 February 2011
36
Gevolgen van een oceanische aardbeving: zeegolven = Tsunami
2004
Tsunami als beweging belangrijk is op lange afstand
Satelliet foto tsunami 2004, 500 m inland in Sri Lanka
lectuur: Quake&tsunami.pdf
Thursday 10 February 2011
37
Gevolgen van een oceanische aardbeving: zeegolven = Tsunami
2004
Tsunami als beweging belangrijk is op lange afstand
Satelliet foto tsunami 2004, 500 m inland in Sri Lanka
lectuur: Quake&tsunami.pdf
Thursday 10 February 2011
37
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
Thursday 10 February 2011
Aardbevingsprobabiliteit langs San Andreas
breuk over 20 jaren (1990-2010)
38
Inwendige structuur waargenomen door middel van de afstand en
aankomsttijd van P & S golven op bepaalde plaatsen
S : elasticiteitmodulus = 0
in liquidus kern
Thursday 10 February 2011
39
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
Thursday 10 February 2011
40
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.
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 ?
Thursday 10 February 2011
Tº= > 4300ºC
P= 360 GPa
41
Tº versus diepte: smelt curve voor verschillende mineraal fasen
Beter visie van hot (rode) & cold
(blauw) zones in mantle: seismische
tomografie (CAT-scan van de aarde)
Beweging tussen
hot & cold zones
Wanner de geotherm rechts ligt t.o.v. de
smeltcurve: liquidus, vloeibare toestand
Thursday 10 February 2011
42
Geel:
stijgende
warme
zones
(upwelling
regio)
Blauw:
bezinking
koude mantel
(downwelling
regio)
Rood: kern
Lectuur: tomografie.pdf
3 D model van convectie en beweging in de mantel
Thursday 10 February 2011
43
2 modellen
1 grote convectie cell in mantel
2 “layers” comnvectie in boven en lage mantel
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
Thursday 10 February 2011
44
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]
Thursday 10 February 2011
45
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 voor
de 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.
Thursday 10 February 2011
46
Het magneetveld
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.
Thursday 10 February 2011
47
3 D model van de geoïde: equipotential oppervlak van de aarde
Aarde zoals nooit gezien
Deze morfologie is geassocieerde met de convectie in de mantle: upwelling van warm zone
(rood) en downwelling van koude zones (blauw)
Thursday 10 February 2011
48
Samenvatting
Grens korst/mantel = Moho
Energie convectie:
verval K, U, Th
Gütenberg discontinuiteit
Lehmann discontinuiteit
plastisch
Convectie in mantel is de
motor van
plaatentectoniek
Moho
en in buiten kern van het magneetvelt
Thursday 10 February 2011
49