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, Seismiska vågor
Planeten Jorden Geofysik Peter Schmidt Rum Dk 227 i Seismologi-korridoren Tel: 018-471 22 59 e-mail: peter.schmidt@geo.uu.se Geocentrum våning 2 Geofysik Rum Dk 227 2
Föreläsningsupplägg : 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 Bergskedjor 3
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) Fasta Jordens fysik kan delas upp i: Global geofysik: ( Global eller pure geophysics ) Studier av hela eller delar av planeten Tillämpad geofysik: ( Applied geophysics ) Studier av jordskorpan och dess ytnära delar, ofta med ett ekonomiskt syfte. (inkl. miljögeofysik och ingenjörsgeofysik) 4
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 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? 5
Universums Utveckling t=0 T= 13,7 miljarder år sedan: Big Bang t = 1s T = 1010 K Elektroner, Neutroner, Protoner t = 100 miljoner år T = 107 K Stjärnor - tyngre grundämnen som järn och kol bildas genom fusion. t = 100 s T = 109 K H (75 %), He (25 %) bildas (Idag: ca 74 % H, 24 % He) Supernovor Grundämnen tyngre än järn bildas t = 1 miljard år Stjärnorna samlas i stora Galaxer t = 1 miljon år T = 108 K litium och beryllium kan bildas, men utgör bara ca 0,01%. 5 4.5 miljarder år sedan: Vårt solsystem bildas 6
Nebularhypotesen 1. En nebulosa ( moln av gas/stoft) blir gravitationellt instabil och kollapsar under sin eget 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. 7
Jordens inre skiktade struktur I kollisionerna mellan de mindre kroppar som bygger upp Jorden 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. 8
Jordens ålder Källa År Ålder Metod James Ussher 1650 ca 6000 år Bibelstudier Flera forskare 1800-talet 3-1500 miljoner år Charles Darwin 1800-talet 300-500 miljoner år Evolution George Darwin 1800-talet 56 miljoner år Sedimenttjocklek Månens tidvatteneffekt Helmholtz & Newcomb 1856 & 92 18-22 miljoner år Solens kondensering Lord Kelvin Avkylning av Jorden 1862 < 100 miljoner år John Perry 1895 2-3 miljarder Avkylning Jorden Katastrofism: De stora förändringar som ägt år rum under jordensavhistoria måste1899 skett plötsligt och miljoner katastrofalt Ussher) John Joly 80-100 år (bl.a. Salthalt i havsvatten Idag som ca 4,5 miljarder år Radioaktivt Uniformism: De processer verkar idag har även verkat i detsönderfall förgångna, över geologiska tidsrymder kan resultatet dessa vara lika med plötsliga, katastrofala förändringar (Hutton senare 1700-tal) 9
Relativ datering Är ett objekt/struktur äldre/yngre än ett annat? Fyra 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) 10
Grand Canyon i genomskärning 11
Petrografisk korrelation: Grand Canyon, Zion och Bryce Canyon 12
Den Geologiska Tidsskalan Indelning av Jordens historia i: Eoner Eror Perioder 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. 13
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 14
Atomer partikel proton (p) neutron (n) elektron (e) massa ~1 ~1 ~0.00006 laddning +1 0-1 Atom X: masstal atomnummer X eller: nukleoner protoner X Grundämne X: atomnummer X eller: protoner X Exempel: Väte: Helium: Syre: 1 1 H, 1p 4 2 16 8 (kärna) He, 2p + 2n O, 8p + 8n 15
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 (234 92U): 92p + 142 n Uran 235 (235 92U): 92p + 143 n Uran 238 (238 92U): 92p + 146 n 16
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: 238 234 92 U 90 Th + α + γ 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) 137 55 β+ (en proton sönderfaller till en neutron, en positron och en neutrino) 22 11 Cs 137 56 Ba + β + γ + νe Na Na +e Ne + β+ + γ + νe Vid elektroninfång, infångas en elektron, e, av kärnan och kombineras med en proton till en neutron och en neutrino, ex: 22 22 11 22 10 Ne + γ + ν 10 Vid radioaktivt sönderfall kallas ursprungliga isotopen moderisotop, och den resulterande isotopen dotterisotop. Vanligtvis sker sönderfallet i en lång sönderfallskedja, där det bildas en rad isotoper som i sig är radioaktiva och sönderfaller, innan en stabil isotop slutligen bildas. 17
238 U Sönderfalls kedja Totalt 14 steg från 238U till (8 α- och 6 β-sönderfall). Pb 206 234 Domineras av 238U Th (halveringstid 4.468 x 109 år). Halveringstid för övriga sönderfallsreaktioner är av storleksordning mikrosekunder till ~105 år. 18
Sönderfallskonstant, λ Halveringstid, t1/2 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: dm = λm dt Under antagande att det vid tiden t = 0 finns M0 moderisotoper i provet, kan denna ekvation integreras för att ge ett uttryck för antalet moderisotoper i provet vid valfri tidpunkt t: M t =M o e λt 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, t1/2: Mo 2 =M o e λt 1 / 2 t 1 /2 = ln ( 2 ) λ 19
Radiometrisk datering Ursprungligen, vid tiden t = 0, finns M0 moderisotoper Idag finns Mt moderisotoper och Dt dotterisotoper, M0 = Mt + Dt Kan nu bestämma t om alla D bildades efter t = 0 Vi mäter ej M0 direkt, vi mäter Mt och Dt Problem om det redan finns dotterisotoper, D0, vid t = 0: Okänd! 20
Radiometrisk datering (forts) Vi använder en referensisotop, R, en stabil, icke radiogen isotop av samma grundämne som dotterisotopen. Vi mäter förhållandena och. : Isokron Jämför med räta linjens ekvation, : Linjens lutning, : Linjen skär y-axeln 21
Radiometrisk datering (forts) Tid: 0 år M = 100 000 D = 20 000 R = 140 000 Mängden Moderisotop varierar från plats till plats. ① ② M = 500 000 D = 24 000 R = 168 000 Mängden Dotterisotop varierar från plats till plats. ③ M = 1 000 000 D = 28 000 R = 196 000 ① D/R = 0,14286 ① M/R = 0,71429 ② D/R = 0,14286 ② M/R = 2,97619 ③ D/R = 0,14286 ③ M/R = 5,10204 Mängden Referensisotop varierar från plats till plats. MEN Kvoten D/R är lika på alla platser! 22
Radiometrisk datering (forts) Tid: 1 000 000 år M = 99 999 D = 20 001 R = 140 000 Mängden Dotterisotop har ökat med lika mycket. ① ② M = 499 993 D = 24 007 R = 168 000 Mängden Referensisotop är samma som i början. ③ OCH M = 999 986 D = 28 014 R = 196 000 ① D/R = 0,14287 ① M/R = 0,71428 ② D/R = 0,14290 ② M/R = 2,97615 ③ D/R = 0,14293 ③ M/R = 5,10197 Mängden Moderisotop har minskat i varje prov. Kvoten D/R har ökat. Kvoten M/R har minskat. Båda kvoterna varierar från plats till plats. 23
Radiometrisk datering (forts) Tid: 5 000 000 år M = 99 993 D = 20 007 R = 140 000 Mängden Moderisotop har minskat ytterligare i varje prov. ① ② M = 499 965 D = 24 035 R = 168 000 Mängden Dotterisotop har ökat med lika mycket. ③ Mängden Referensisotop är samma som i början. M = 999 929 D = 28 071 R = 196 000 ① D/R = 0,14291 ① M/R = 0,71424 ② D/R = 0,14307 ② M/R = 2.97598 ③ D/R = 0,14322 ③ M/R = 5,10168 OCH Kvoten D/R har ökat. Kvoten M/R har minskat. Båda kvoterna varierar från plats till plats. 24
Radiometrisk datering (forts) Tid 0 år 1 000 000 år D/R M/R D/R Prov ① 0,14286 0,71429 0,14287 0,71428 0,14291 0,71424 Prov ② 0,14286 2,97619 0,14290 2,97615 0,14307 2.97598 Prov ③ 0,14286 5,10204 0,14293 5,10197 0,14322 5,10168 M/R 5 000 000 år D/R M/R 25
Exempel: Rubidium (Rb) Strontium (Sr) metoden Miljarder år[/år] 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: 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. 26
Några felkällor vid radiometrisk datering Systemet har inte varit slutet, d.v.s: Moder-, dotter- eller Referensisotopen kan ha transporterats från eller till provet genom dess historia Den ursprungliga kvoten mellan dotterisotopen och referensisotopen kan vara olika mellan olika prover Viktigt att den valda daterings metoden är anpassad efter åldern på provet, d.v.s. för unga prover bör en metod med relativt kort halveringstid väljas och tvärtom. Annars kommer rena mätosäkerheter att påverka dateringen. 27
Jordens Ålder Jordens ålder bestämd från radiometrisk datering av meteoriter till ca 4.5 miljarder år. Meteoriter bildades samtidigt som Jorden, men har inte utsatts för metamorphism eller liknande processer, och antas därför ha samma sammansättning idag som vid solsystemets bildande. Ovan: Del av Canyon Diablo meteoriten som skapade Barringer Kratern. Vänster: Barringer Kratern, Arizona (också kallad the Meteor Crater ). 28
Vågor Vad är en våg? Inom fysiken är vågor svängningar i både rum och tid som transporterar med sig energi. Exempel: Vatten - Ytvåg, Cylindrisk utbredning Tryckvåg (ljud) utbredning - Longitudinell våg, Sfärisk Elektromagnetiska (ljus, radiovågor ) - Transvers våg, Sfärisk utbredning Seismiska vågor - Flera olika Orsaker? (Seismiska) Jordbävning Vulkanutbrott Jordskred Meteoritnedslag Explosioner 29
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. 30
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. 31
Våghastighet seismiska vågor Beror på elastiska egenskaper och densitet hos materialet de färdas genom. k = Inkompressibilitet S-våg: P-våg: (motstånd mot kompression) μ = Skjuvhållfasthet (motstånd mot skjuvning) ρ = Densitet I en vätska är skjuvhållfastheten = 0 genom vätska! S-vågor kan inte propagera I ytliga bergarter gäller ofta att: 32
Snell's lag (från optiken) θ1 = Vinkeln mellan vågens utbredningsriktning och normalen i medium 1. θ2 = Vinkeln mellan vågens utbredningsriktning och normalen i medium 2. v1 = Vågens utbredningshastighet i medium 1. v2 = 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 v1: låg v2: hög v1 < v2 Refraktion θ1 v1: hög v2: låg θ2 θ1 < θ2 v1 > v2 θ1 θ2 θ 1 > θ2 33
Fler vågegenskaper En seismisk våg som träffar ett gränsskikt med en hastighetsdiskontinuitet kommer att delvis reflekteras. Reflektion (θ1 = θ2) θ1 θ2 En seismisk volymvåg som passerar en hastighetsdiskontinuitet kan delas upp i två olika faser: 1 P-våg och 1 S-våg. Konversion Konversion P Fast material P P v1: låg v1: hög v2: hög v2: låg P Fast material vp2 > vp1 S S > vs2 > vs1 vp1 S P > vp2 P Fast material Flytande material (vs = 0) 34
Sammanfattning Geofysik och Jordens uppkoms 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 5-4.5 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. 35
Sammanfattning, forts. Datering 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 funderar över möjliga felkällor. 36
Sammanfattning, forts. Seismiska vågor Man skiljer mellan: Volymvågor P-våg S-våg Ytvågor Love våg Partikelrörelse parallell med vågens riktning Partikelrörelse vinkelrät mot vågens riktning Partikelrörelse vinkelrät mot vågens riktning i horisontalplanet Rayleigh våg 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 bryts de (refrakteras) enligt Snell's lag. Då seismiska vågor träffar en diskontinuitet får vi även reflekterade och konverterade vågor. 37