Geofysik. Geovetenskap Planeten Jorden, 30 hp (delkurs Bergrunden och livets utveckling, 10 hp) Uppsala Universitet. Föreläsning I

Transkript

1 Geofysik Geovetenskap Planeten Jorden, 30 hp (delkurs Bergrunden och livets utveckling, 10 hp) Uppsala Universitet Föreläsning I Jordens ursprung och ålder, Relativ och absolut/radiometrisk datering

2 Planeten Jorden Geofysik Peter Hedin, Post-doc Rum Dk 231 i Geofysik-korridoren peter.hedin@geo.uu.se Geocentrum våning 2 Geofysik Rum Ek 231 Föreläsning 1 2

3 Föreläsningsupplägg Föreläsning 1: Vad är geofysik? Jordens ursprung och ålder Relativ datering Absolut (radiometrisk) datering Föreläsning 2: Jordbävningar Jordens inre struktur Föreläsning 3: Tillämpad Geofysik Metoder och användningsområden Isostasi Föreläsning 1 3

4 Vad är Geofysik? I vidaste mening: Tillämpning av fysik på undersökning av Jorden, Månen och planeterna. (relation till astronomi) I mer begränsad betydelse: Avser endast Jorden (men inkluderar delar av hydrologi, meteorologi, atmosfärsfysik, etc.) Ytterligare begränsat: Fasta Jordens fysik ( Solid Earth geophysics, Jordens inre från ytan till kärnan) Global geofysik: ( Global eller pure geophysics ) Studier av hela eller delar av planeten Fasta Jordens fysik kan delas upp i: Tillämpad geofysik: ( Applied geophysics ) Studier av jordskorpan och dess ytnära delar, ofta med ett ekonomiskt syfte. (inkl. miljögeofysik och ingenjörsgeofysik) Föreläsning 1 4

5 Varför Geofysik? Föreläsning 1 5

6 Blue Marble (NASA, 1972: Apollo 17) Föreläsning 1 6

7 Jordens inre Visning av The Core 27 Sept. 17:00 David Stevenson (nature, 2003): Föreläsning 1 7

8 Varför Geofysik? Ger en bild av och förståelse om Jordens inre som inte annars är möjlig. Jordens inre struktur (från Jordytan till centrum) Jordbävningar Vulkaner Dynamiken i Jorden Plattektonik Mantelkonvektion Koppling till Geologi Strukturgeologi Hydrologi Se dolda skillnader mellan olika bergarter Följa strukturer på djupet Grundvatten, vätskors utbredning och spridning Tillämpad geofysik används flitigt inom: Prospektering Malm, mineral, olja, gas. Ingenjörsplanering Planera stora konstruktioner, hitta sprickor i anläggningar. Arkeologi Forntida gravplatser och begravda objekt. Miljö Följa gifters och föroreningars utbredning och förflyttning. Basforskning Hur ser t.ex. berg, vulkaner och kratrar ut på djupet? Föreläsning 1 8

9 Universums Utveckling t = 0 T = 13,7 miljarder år sedan: Big Bang t = 1s T = K Elektroner, Neutroner, Protoner t = 100 s T = 10 9 K H (75 %), He (25 %) bildas (Idag: ca 74 % H, 24 % He) t = 1 miljon år T = 10 8 K litium och beryllium kan bildas, men utgör bara ca 0,01%. t = 100 miljoner år T = 10 7 K Stjärnor - tyngre grundämnen som järn och kol bildas genom fusion. Supernovor - Grundämnen tyngre än järn bildas t = 1 miljard år Stjärnorna samlas i stora Galaxer miljarder år sedan: Vårt solsystem bildas Föreläsning 1 9

10 Nebularhypotesen 1. En nebulosa ( moln av gas/stoft) blir gravitationellt instabil och kollapsar under sin egen tyngdkraft: radien minskar 2. Med minskad radie ökar molnets rotationshastighet (bevarande av rörelsemängd): utåtriktade centrifugalkraften ökar 3. Gravitationskrafter + centrifugalkrafter resulterar i en central protostjärna omgiven av en disk av gas/stoft. 4. I disken ansamlas stoftkorn mot diskens centrala region, där de kan kollidera och successivt bygga upp större kroppar, s.k. Planetembryon. 5. Varmt nära solen korn av sten och metal Kallt en bit bort även is finns tillgängligt 6. Samtidigt sammanfaller protostjärnan ytterligare och tryck och temperatur ökar: fusionsreaktioner startar energi 7. Fusionsenergin bromsar ytterligare kontraktion och samtidigt börjar en solvind verka som blåser bort kvarvarande gas i de inre delarna av disken. 8. Utanför Mars omloppsbana är solvinden dock för svag och de större protoplaneterna där kan samla på sig ytterligare gas. Föreläsning 1 10

11 Jordens inre skiktade struktur I kollisionerna mellan de mindre kroppar som bygger upp Jorden så friges energi. Kortlivade radioaktiva isotoper avger ytterligare energi. Detta leder till hög temperatur i den unga Jorden med uppsmältning i stora delar. I det uppsmälta inre kan tyngre grundämnen sjunka mot de centrala delarna, s.k. differentiering. Som ett resultat är Jordens inre inte homogen utan skiktad. Föreläsning 1 11

12 Jordens ålder Källa År Ålder Metod James Ussher 1650 ca 6000 år Bibelstudier Flera forskare 1800-talet miljoner år Sedimenttjocklek Charles Darwin 1800-talet miljoner år Evolution George Darwin 1800-talet 56 miljoner år Månens tidvatteneffekt Helmholtz & Newcomb 1856 & miljoner år Solens kondensering Lord Kelvin 1862 < 100 miljoner år Avkylning av Jorden John Perry miljarder år Avkylning av Jorden John Joly miljoner år Salthalt i havsvatten Idag ca 4,5 miljarder år Radioaktivt sönderfall Katastrofism: De stora förändringar som ägt rum under jordens historia måste skett plötsligt och katastrofalt (bl.a. Ussher) Uniformism: De processer som verkar idag har även verkat i det förgångna, över geologiska tidsrymder kan resultatet med dessa vara lika med plötsliga, katastrofala förändringar (Hutton senare tal) Föreläsning 1 12

13 Relativ datering Är ett objekt/struktur äldre/yngre än ett annat? 4 Huvudregler: 1. Ursprunglig horisontell avsättning 2. Superposition (yngsta lagret överst i odeformerad lagerföljd) 3. Korrelation (samma bergart? samma fossil?) 4. Cross cutting (det som skär genom yngst) Föreläsning 1 13

14 Grand Canyon i genomskärning Föreläsning 1 14

15 Petrografisk korrelation: Grand Canyon, Zion och Bryce Canyon Föreläsning 1 15

16 Den Geologiska Tidsskalan Indelning av Jordens historia i: 1. Eoner 2. Eror 3. perioder 4. epoker Indelningen baseras på relativ datering: Phanerozoikums subindelning huvudsakligen baserad på fossil. Prekambriums subindelning huvudsakligen baserad på större geologiska event, t.ex. orogeneser. Senare har gränserna mellan de olika Eonerna, erorna, perioderna och epokerna tidsbestämts med radiometrisk (absolut) datering. Föreläsning 1 16

17 Radioaktivitet och radiometrisk datering Radioaktivitet upptäcktes 1896 av Henri Becquerel. Henri Becquerel Radiometrisk datering utfördes första gången 1907 av Ernest Rutherford och Bertram Boltwood. Ernest Rutherford Viktiga begrepp: Atom Isotop Halveringstid Sönderfallskonstant Bertram Boltwood Föreläsning 1 17

18 Atomer part ikel m assa laddning proton (p) ~ neutron (n) ~ 1 0 elektron (e) ~ Atom X: eller Grundämne X: eller Exempel: Väte: Helium: (kärna) Syre: Föreläsning 1 18

19 Isotoper Vissa grundämnen kan ha samma atomnummer (samma antal protoner), men flera olika masstal (olika antal neutroner). Det finns olika isotoper av dessa grundämnen. Exempel Uran: Uran 234 ( Uran 235 ( Uran 238 ( ): 92p + 142n ): 92p + 143n ): 92p + 146n Föreläsning 1 19

20 Radioaktivt Sönderfall Inte alla förekommande kombinationer av protoner och neutroner är stabila. De är instabila, eller radioaktiva, och sönderfaller spontant och sänder då ut radioaktiv strålning (α, β, γ, ν). Vid alfa sönderfall avges en alfa partikel, α, (en heliumkärna bestående av 2p och 2n) ex: Vid beta sönderfall avges en beta partikel, β, (en elektron, β eller en positron, β + ) ex: β (en neutron sönderfaller till en proton, en elektron och en antineutrino) β + (en proton sönderfaller till en neutron, en positron och en neutrino) Vid elektroninfång, infångas en elektron, e, av kärnan och kombineras med en proton till en neutron och en neutrino, ex: Vid radioaktivt sönderfall kallas ursprungliga isotopen moderisotop, och den resulterande isotopen dotterisotop. Ofta sker sönderfallet i en sönderfallskedja, där det bildas en rad isotoper som i sig är radioaktiva och sönderfaller, innan en stabil isotop slutligen bildas. Föreläsning 1 20

21 238 U Sönderfalls kedja Totalt 14 steg från 238 U till 206 Pb (8 α- och 6 β-sönderfall). Domineras av 238 U 234 Th (halveringstid x 10 9 år). Halveringstid för övriga sönderfallsreaktioner är av storleksordning mikrosekunder till ~10 5 år. Föreläsning 1 21

22 Sönderfallskonstant, λ Halveringstid, λ är ett mått på sannolikheten att en moderisotop sönderfaller under en tidsenhet. Antalet moderisotoper, M, som sönderfaller per tidsenhet i ett prov blir då lika med λ gånger antalet moderisotoper i provet: (Förändringen av M med avseende på t = en konstant gånger M) Under antagande att det vid tiden t = 0 finns M 0 moderisotoper i provet, kan denna ekvation integreras för att ge ett uttryck för antalet moderisotoper i provet vid valfri tidpunkt t: Om vi antar att antalet moderisotoper i provet är hälften av det ursprungliga kan vi finna ett uttryck för den tid det tar för hälften av moderisotoperna att sönderfalla, d.v.s. halveringstiden, : Föreläsning 1 22

23 Radiometrisk datering Ursprungligen, vid tiden t = 0, finns M 0 moderisotoper Idag finns M t moderisotoper och D t dotterisotoper, M 0 = M t + D t Kan nu bestämma t om alla D bildades efter t = 0 Vi mäter ej M 0 direkt, vi mäter M t och D t Problem om det redan finns dotterisotoper, D 0, vid t = 0: Okänd! Föreläsning 1 23

24 Radiometrisk datering (forts) Vi använder en referensisotop, R, en stabil, icke radiogen isotop av samma grundämne som dotterisotopen. Vi mäter förhållandena och. = Isokron (= lika tid ) Jämför med räta linjens ekvation, : Linjens lutning, : Linjen skär y-axeln Föreläsning 1 24

25 Radiometrisk datering (forts) M = D = R = M = D = R = Tid: 0 år 1 3 M = D = R = Mängden Moderisotop varierar från plats till plats. Mängden Dotterisotop varierar från plats till plats. Mängden Referensisotop varierar från plats till plats. MEN Kvoten D/R är lika på alla platser! 1 D/R = 0, D/R = 0, D/R = 0, M/R = 0, M/R = 2, M/R = 5,10204 Föreläsning 1 25

26 Radiometrisk datering (forts) M = D = R = M = D = R = D/R = 0, D/R = 0, D/R = 0,14293 Tid: år 1 3 M = D = R = M/R = 0, M/R = 2, M/R = 5,10197 Mängden Moderisotop har minskat i varje prov. Mängden Dotterisotop har ökat med lika mycket. Mängden Referensisotop är samma som i början. OCH Kvoten D/R har ökat. Kvoten M/R har minskat. Båda kvoterna varierar från plats till plats. Föreläsning 1 26

27 Radiometrisk datering (forts) M = D = R = M = D = R = D/R = 0, D/R = 0, D/R = 0,14322 Tid: år 1 3 M = D = R = M/R = 0, M/R = M/R = 5,10168 Mängden Moderisotop har minskat ytterligare i varje prov. Mängden Dotterisotop har ökat med lika mycket. Mängden Referensisotop är samma som i början. OCH Kvoten D/R har ökat. Kvoten M/R har minskat. Båda kvoterna varierar från plats till plats. Föreläsning 1 27

28 Radiometrisk datering (forts) Tid 0 år år år D/R M/R D/R M/R D/R M/R Prov 1 0, , , , , ,71424 Prov 2 0, , , , , Prov 3 0, , , , , ,10168 Föreläsning 1 28

29 Exempel: Rubidium (Rb) Strontium (Sr) metoden Rb kemiskt släkt med kalium (K) och kan ersätta kalium i olika mineral, t.ex. i glimmrar (muskovit och biotit) och fältspat, vilka är vanliga i granit och gnejs. Rubidium-87 sönderfaller till strontium-87 med: Miljarder år [/år] Som referens isotop används strontium-86. På grund av den långa halveringstiden används Rb-Sr metoden primärt för att datera bergarter > 100 miljoner år gamla. Anta: lika i alla prov, men kan variera från prov till prov Föreläsning 1 29

30 Exempel: Rubidium (Rb) Strontium (Sr) metoden Från två olika bergarter har man samlat in och analyserat 4 prov. Genom att rita upp isokronen för dessa prov kan man bestämma bergarternas ålder. Sten Sten isokron: lutning = t 1 1,74 Miljarder år t 2 3,44 Miljarder år Föreläsning 1 30

31 Möjliga felkällor vid radiometrisk datering (typfall: Rubidium-Strontium) Referensisotopen kan ha varierat med tiden, d.v.s. 87 Rb eller 87 Sr kan ha transporterats från eller till provet genom dess historia, d.v.s. systemet har inte varit slutet Den ursprungliga kvoten mellan dotterisotopen och referensisotopen kan vara olika mellan olika prover Slutligen måste den valda daterings metoden vara anpassad efter åldern på provet, det vill säga för unga prover bör en metod med relativt kort halveringstid väljas och tvärtom. Annars kommer rena mätosäkerheter att påverka dateringen. Föreläsning 1 31

32 Jordens Ålder Radiometrisk datering ger att Jordens ålder är ~4.5 miljarder år. Hur går Det äldsta mineralet som hittats på Jorden är ~4.4 miljarder år detta ihop? Meteoriter anses ha bildats samtidigt som Jorden, men har inte utsatts för metamorfism eller liknande processer, och antas därför ha samma sammansättning idag som vid solsystemets bildande. Ca 40 olika dateringsmetoder har använts på fragment från Canyon Diablo meteoriten. Ovan: Del av Canyon Diablo meteoriten som skapade Barringer Kratern. Vänster: Barringer Kratern, Arizona (också kallad the Meteor Crater ). Föreläsning 1 32

33 Vad är en våg? Vågor Inom fysiken är vågor svängningar i både rum och tid som transporterar med sig energi. Exempel: Vatten Tryckvåg (ljud) Elektromagnetiska (ljus, radiovågor ) Seismiska vågor - Ytvåg, Cylindrisk utbredning - Longitudinell våg, Sfärisk utbredning - Transvers våg, Sfärisk utbredning - Flera olika Orsaker? (Seismiska) Jordbävning Vulkanutbrott Jordskred Meteoritnedslag Explosioner Föreläsning 1 33

34 Seismiska Volymvågor Volymvågor kallas gemensamt så eftersom de färdas genom det inre av ett material. P-vågor (P kommer från Primär; kan också tänka Push) För P-vågor är partikelrörelsen parallell med vågens utbredningsriktning. S-vågor (S kommer från Sekundär; kan också tänka Skjuv) För S-vågor är partikelrörelsen vinkelrät mot vågens utbredningsriktning. Föreläsning 1 34

35 Seismiska Ytvågor Ytvågor kallas gemensamt så eftersom de endast färdas längs med Jordytan och dämpas kraftigt med ökat djup. Love våg (som en horisontell S-våg) Partikelrörelsen är vinkelrät mot utbredningsriktningen, men bara i det horisontella planet. Rayleigh våg (en blandning av P- och S-våg) Partikelrörelsen är elliptisk och retrograd/moturs (motsatt håll som vattenvåg). Ytvågor har oftast större amplitud än volymvågor. Föreläsning 1 35

36 Våghastighet seismiska vågor Beror på elastiska egenskaper och densitet hos materialet de färdas genom. P-våg: S-våg: k = Inkompressibilitet (motstånd mot kompression) μ = Skjuvhållfasthet (motstånd mot skjuvning) ρ = Densitet I en vätska är skjuvhållfastheten = 0 S-vågor kan inte propagera genom vätska! I ytliga bergarter gäller ofta att: Föreläsning 1 36

37 Snell's lag (från optiken) θ 1 = Vinkeln mellan vågens utbredningsriktning och normalen i medium 1. θ 2 = Vinkeln mellan vågens utbredningsriktning och normalen i medium 2. v 1 = Vågens utbredningshastighet i medium 1. v 2 = Vågens utbredningshastighet i medium 2. En våg som går från ett medium till ett annat medium, som skiljer sig i våghastighet från det första, bryts mot det medium som har den lägre hastigheten. Refraktion Refraktion v 1 : låg θ 1 v 1 : hög θ 1 v 2 : hög v 2 : låg θ 2 θ 2 v 1 < v 2 θ 1 < θ 2 v 1 > v 2 θ 1 > θ 2 Föreläsning 1 37

38 Fler vågegenskaper En seismisk våg som träffar ett gränsskikt med en hastighetsdiskontinuitet kommer att delvis reflekteras. Reflektion (θ 1 = θ 2 ) θ 1 θ 2 En seismisk volymvåg som passerar en hastighetsdiskontinuitet kan delas upp i två olika faser: 1 P-våg och 1 S-våg. Konversion Konversion P S P P S P Fast material Fast material Fast material v 1 : låg v 2 : hög S v P2 > v P1 > v S2 > v S1 P v 1 : hög v 2 : låg Flytande material (v S = 0) Föreläsning 1 38 P v P1 > v P2

39 Geofysik och Jordens uppkomst Sammanfattning Geofysik är studier av Jordens inre med hjälp av fysikaliska metoder. Universum skapades för ca 13.7 miljarder år sedan i Big Bang. Vårt Solsystem och Jorden skapades för ca miljarder år sedan. Nebularhypotesen är en modell för hur Solsystemet och Jorden bildades. Höga temperaturer i Jorden möjliggjorde uppsmältning, vilket i sin tur möjliggjorde differentiering av Jordens inre till en skiktad struktur. Föreläsning 1 39

40 Datering Sammanfattning, forts. Relativ datering är en metod för att avgöra om ett objekt är äldre eller yngre än ett annat objekt, men kan inte fastställa en ålder i tid. Radiometrisk datering är en absolut datering som använder sig av radioaktivt sönderfall för att fastställa en ålder för ett objekt. I radiometrisk datering är sönderfallskonstant, halveringstid, moderisotop, dotterisotop, och referensisotop centrala begrepp. En isokron är en linje i ett diagram längs vilken tiden (åldern) är konstant, detta kan användas till att åldersbestämma ett objekt. Vid radiometrisk datering är det viktigt att noga välja dateringsmetod utifrån det prov man vill åldersbestämma, samt fundera över möjliga felkällor. Föreläsning 1 40

41 Seismiska vågor Man skiljer mellan Sammanfattning, forts. Volymvågor P-vågor Partikelrörelse parallell med vågens riktning S-vågor Partikelrörelse vinkelrät mot vågens riktning Ytvågor Love vågor Partikelrörelse vinkelrät mot vågens riktning i horisontalplanet Rayleigh vågor Partikelrörelse elliptisk i vertikalplanet De seismiska vågornas hastighet beror primärt på densiteten och de elastiska parametrarna för mediet de färdas i. P-vågor är alltid snabbare än S-vågor som är snabbare än ytvågor. S-vågor kan inte färdas genom en vätska! Amplituden hos ytvågor avtar kraftigt med djupet. Då seismiska vågor träffar en diskontinuitet så refrakteras (bryts) de enligt Snell's lag. reflekteras (studsar) de enligt Snell's lag, Vi får även konverterade vågor. Föreläsning 1 41