Problemsamling. Geofysik inom Geovetenskap Planeten Jorden 30 hp. (delkurs: Berggrunden och Livets Utveckling 10 hp) Uppsala universitet

Transkript

1 Problemsamling Geofysik inom Geovetenskap Planeten Jorden 30 hp (delkurs: Berggrunden och Livets Utveckling 10 hp) Uppsala universitet Innehåll 1. Jordens ursprung och universums uppkomst 1 2. Absolut och relativ datering 1 3. Isostasi 2 4. Geofysiska metoder 3 5. Jordbävningar, seismologi, och jordens inre 3

2 1 Jordens ursprung och Universums uppkomst 1.1 I den ursprungliga nukleosyntesen (= bildande av atomkärnor) som följde kort efter Big Bang, så bildades ca 75% väte (H), 25% helium (He) och endast 0.01% tyngre grundämnen såsom deuterium (D), litium (Li) och beryllium (Be). Tittar vi runt omkring oss idag så finner vi snabbt att det existerar grundämnen tyngre än beryllium och en noggrannare kartläggning av Universums nuvarande sammansättning ger ca 74% H, 24% He och 2% tyngre grundämnen. Hur kommer detta sig? Det vill säga, varifrån kommer den ökade koncentrationen av tyngre grundämnen och var har de saknade andelarna av H och He koncentrationen blivit av? 1.2 Vad är Nebularhypotesen? Beskriv denna kortfattat. 1.3 Ungefär hur gammalt är: (a) Universum; (b) Jorden? (c) Hur vet vi detta? 1.4 Vad menas med den geologiska tidsskalan och hur har man kunnat sammanställa denna? 2 Absolut och relativ datering 2.1 Relativ datering baserar sig på 4 huvudprinciper. (a) Vilka är dessa 4 huvudprinciper? (b) Rita ett exempel på en lagerstruktur som visar alla dessa fyra principer. (c) Förklara i ord hur man med dessa principer kan göra en relativ datering av de olika lagrena. 2.2 (a) Vad är skillnaden mellan relativ och absolut datering. (b) Varför är radiometrin viktig för geovetenskaperna? (c) Nämn tre möjliga felkällor som man måste beakta vid radiometrisk datering. 2.3 Hur fungerar radiometri? Med andra ord, vilken fysikalisk process är det man studerar och hur går man tillväga då man vill åldersbestämma ett prov med hjälp av radiometrisk datering? 2.4 Du har 10 olika prover från en bergart som du vill bestämma åldern på med hjälp av radiometrisk datering. (a) Vad måste du mäta i varje prov och hur ska du använda dessa mätdata för att bestämma åldern? (b) Vad behöver du känna till förutom dessa mätdata för att kunna göra åldersbestämningen? 2.5 (a) Vad är: i) en atom; ii) en jon; och iii) en isotop? (b) Vad menas med att något är radioaktivt? 2.6 Förklara kortfattat följande begrepp: i) moderisotop; ii) dotterisotop; iii) referensisotop; iv) sönderfallskonstant; och v) halveringstid.

3 2.7 Ge ett exempel på en radioaktiv isotop som används till radiometrisk datering. Ange även var finner man denna isotop, vilken som är dotterisotopen i sönderfallet och när man använder sig av denna isotop för datering etc. 2.8 Ett flertal prov har insamlats från två olika bergarter. Kvoten mellan rubidium-87 ( 87 Rb) och strontium-86 ( 86 Sr) samt kvoten mellan strontium-87 ( 87 Sr) och strontium-86 ( 86 Sr) har sedan uppmätts i dessa prover. De uppmäta kvoterna har därefter plottats i diagrammet nedan (Fig. 1). Mätdata tillhörande samma bergart har sedan sammanbundits av en linjär trendlinje. (a) Vad heter den linjära trendlinje som sammanbinder mätdata från en och samma bergart och varför heter den så? (b) Vad ger (idealt) värdet i den punkt där trendlinjerna skär ordinatan (y-axeln eller den lodräta axeln)? (c) Vad kan man beräkna utifrån trendlinjens lutning och hur beräknas det? (d) Vilken av bergarterna är äldst? 3 Isostasi Fig. 1. Diagram till uppgift (a) Förklara begreppet isostasi. (b) Vad innebär isostatisk kompensation? (c) Vad kan man få en uppfattning om utifrån isostatisk kompensation? 3.2 Vi vet idag att Himalaya började bildas för ca miljoner år sedan. Samtidigt ser vi att erosionshastigheten i Himalaya är ca 2 mm per år (ca 9 km på 4,5 miljoner år). Hur kommer det sig då att Himalaya fortfarande idag höjer sig mot skyarna med toppar uppemot 9 km (Mount Everest, 8848 km)? 3.3 Beskriv (a) Airy s och (b) Pratt s hypoteser om isostasi (illustrera gärna). (c) Vilken av dem är rätt? 3.4 (a) Varför har vi en landhöjning i Sverige idag? D.v.s. vad är grundorsaken till att den finns från första början? (b) Varför sker det fortfarande?

4 3.5 Anta att skorpan har en tjocklek av d m, samt att en högplatå som höjer sig h m över omgivande landskap är kompenserad av en rot som sträcker sig r m djupare ner i manteln än den omgivande skorpan (se till Fig. 2 nedan). Ställ upp en ekvation för isostatisk jämvikt för denna konfiguration i enlighet med Airy's hypotes. Anta att skorpans densitet är ρ c, att mantelns densitet är ρ m samt att ρ c < ρ m. Fig. 2. Figur till uppgift Geofysiska metoder 4.1 Vad är geofysik? Vad finns det för skillnader mellan geofysik och geologi? 4.2 Ge tre exempel på frågeställningar eller situationer där man kan använda sig av tillämpad geofysik. 4.3 De flesta olika tillämpade geofysiska metoderna kan delas in i fyra huvudgrupper baserade på de bakomliggande fysikaliska principerna. Vilka är dessa fyra huvudgrupper och vilka är de bakomliggande fysikaliska principerna som de baseras på? 4.4 Vad är gravimetri? Ge exempel på vad man kan använda det till. 4.5 Vad är magnetometri? Ge exempel på vad man kan använda det till. 4.6 Vad menas med seismiska metoder inom geofysik? Nämn några olika seismiska metoder och berätta kortfattat hur de fungerar? Ge exempel på vad man kan använda det till. 4.7 Hur fungerar (a) geoelektriska och (b) elektromagnetiska metoder? Ge exempel på vad man kan använda de två olika metoderna till. 4.8 Du ska försöka lokalisera en sprickzon med hjälp av någon geofysisk metod. Vilken/vilka geofysiska metoder tycker du är lämpligast att använda och varför?

5 5 Jordbävningar, seismologi, och Jordens inre 5.1 Förklara följande termer: i) fokus; ii) epicentrum; iii) hypocentrum; och iv) löptid. 5.2 (a) Hur gör man för att mäta jordskalv? (b) Vad kallas instrumenten som används för detta? (c) Förklara hur man med hjälp av dessa kan lokalisera platsen för ett jordskalv. 5.3 Förklara begreppen magnitud och intensitet för en jordbävning, samt redogör för skillnaden dem emellan. 5.4 Styrkan på en jordbävning anges ofta som en magnitud, där skalan är en så kallad logaritmisk skala. Hur relaterar då olika magnituder till den energi som frigörs vid en jordbävning, d.v.s. ungefär hur stor skillnad är det i energi mellan två jordbävningar som på samma skala skiljer sig åt med i) 1 magnitud, ii) 2 magnituder? 5.5 Ibland kan man från olika nyhetsbyråer få höra olika magnituder på samma jordbävning. Hur kommer det sig? Vad mäter man oftast stora jordbävningar i idag? 5.6 Ungefär hur många jordskalv förkommer det i genomsnitt per år med magnitud i) över 8, ii) mellan 7 8 och iii) mellan Har vi jordbävningar i Sverige idag? Om så är fallet, ungefär hur ofta, hur stora, var och varför? Hur ser det ut historiskt sett? Hur stora jordbävningar har det förekommit i det förflutna? 5.8 (a) Hur djupt ner förkommer jordskalv och varför på dessa djup? (b) Vad menas med Wadati- Benioff zonen? (Illustrera gärna) 5.9 (a) Vilka egenskaper hos berget påverkar de seismiska volymvågornas hastighet? (b) Ungefär vilken hastighet har de seismiska volymvågorna i ytliga bergarter? (c) Vad händer med hastigheterna på djupet och varför? 5.10 (a) Kan man idag förutsäga jordskalv? Om ja, berätta även med hjälp av vilka metoder och över vilka tidrymder? (b) Finns det några möjliga problem med jordskalvsprognoser? 5.11 Jordens inre är inte homogent (= lika på alla platser), men kan grovt betraktas som uppbyggt av homogena sfäriska skal. Definitionen av dessa skal (radier, namn, sammansättning, homogen parameter, etc.) görs vanligtvis på två olika sätt. (a) Vad baseras indelningen på i dessa två olika klassificeringssätt? (b) För båda indelningssätten, ange de olika skalens namn, radie och egenskaper samt hur vissa av skalen kan delas in ytterligare Förklara skillnaden mellan lithosfären, asthenosfären och mesosfären, gentemot skorpan, övre manteln och undre manteln.

6 5.13 Jordens inre kan delas in i lager efter dess huvudsakliga sammansättning, d.v.s. kemi, trots att vi aldrig har borrat ner djupare än en bit in i skorpan. Hur kan vi då veta något om den kemiska sammansättningen på underliggande lager? 5.14 (a) Förklara hur man med hjälp av seismologi kunnat göra den mekaniska indelningen av Jordens inre. (b) Vilka egenskaper hos seismiska vågor har hjälpt till att säga något om egenskaperna hos Jordens inre? 5.15 (a) Vad är MOHO och var kan man finna den? (b) Förklara hur den upptäcktes, samt hur man kunde dra slutsatsen att hastigheten är högre i manteln än i skorpan. Illustrera gärna Manteln beter sig som en vätska över geologiska tidsperspektiv. Innebär detta att manteln är uppsmällt? 5.17 Förklara hur man upptäckte att jorden har en (yttre) kärna, samt hur man har kunnat dra slutsatsen att den är uppsmällt i det yttre skalet. Illustrera gärna Förklara hur man upptäckte att jorden har en inre kärna, samt hur man har kunnat dra slutsatsen att den är fast. Illustrera gärna Seismiska vågor utbreder sig som P- och S-vågor genom jordens inre och ger oss kunskap om Jordens inre struktur. En P-våg kan konverteras till en S-våg och en S-våg till en P-våg vid gränsövergångarna mellan Jordens olika skikt. Anta att en jordbävning äger rum på Jordytan och seismiska vågor från den registreras på precis motsatt sida av jordklotet. Vilka av nedanstående sätt för hur de seismiska vågorna fortplantat sig genom jorden är riktiga och vilka är felaktiga? Varför? Sätt nr Skorpa Mantel Yttre kärnan Inre kärnan Rätt Fel 1 P S S P 2 S P P S 3 S P S P 4 S S P S 5 P S P P

7 5.20 Observationer av seismiska vågfaser som har färdats genom kärnan har visat att den har en inre fast kärna omgiven av en yttre flytande kärna, med ungefär samma sammansättning. Samtidigt ger termodynamiken att temperaturen är högst i centrum av Jorden och avtar utåt, d.v.s. temperaturen är högre i den inre kärnan än i den yttre kärnan. Hur går detta ihop? Varför är inte den inre kärnan också uppsmällt?