A Föld belső szerkezete és összetétele

Átírás

1 A FöldF belső szerkezete és összetételetele

2 Meteoritok k (kémiai összetétel) tel) Földrengéshullámok (fizikai állapot) Primer hullámok: longitudinális, nyomáshullámok, szilárd anyagban és folyékonyban Szekunder hullámok: transzverzális, nyíráshullámok, szilárd anyagban Felületi hullámok: pusztító Terjedési sebesség sűrűségtől függ (sűrűség, T) Diszkontinuitási felületek Szeimológia szeizmika

3 A földrengf ldrengéshullámok - P hullám kb. 1.7x gyorsabban terjed - S hullám folyadékon nem halad át

4 A földrengf ldrengéshullámok Longitudinális Hullámhossz Transzverzális

5 A földrengf ldrengéshullámok

6 A földrengf ldrengés- hullámok The types of seismic waves travelling around the Earth and through the Earth. The speeds of the waves range from 3 to 15 km/s. Two of the waves travel around the surface of the Earth in rolling swells. The other two, Primary (P) or compression waves and Secondary (S) or shear waves, penetrate the interior of the Earth. P waves compress and dilate the matter they travel through (either rock or liquid) similar to sound waves. They can move twice as fast as S waves. S waves propagate through rock but are not able to travel through liquid. Both P and S waves refract or reflect at points where layers of differing physical properties meet. They also reduce speed when moving through hotter material. These changes in direction and velocity are the means of locating discontinuities.

7 A földrengf ldrengéshullámok P and S waves S-hullám P-hullám árnyék

8 A Föld F belső szerkezete Kémiai Mechanikai Variation in P and S wave velocities with depth. Compositional subdivisions of the Earth are on the left, rheological subdivisions on the right. After Kearey and Vine (1990), Global Tectonics. Blackwell Scientific. Oxford.

9 A Föld F belső szerkezete Köpeny Mag Szeizmikus segesség (km/s) Moho Moho Moho Kis sebességű öv v (LVL) Moho Külső mag Belső mag Kéreg Mélység (km)

10 A Föld belső szerkezete

11 A Föld belső szerkezete Szeizmikus tomográfia Nagy sűrűségű (hideg) és kis sűrűségű (meleg) testek a Csendes-óceán alatt Felső köpeny Alsó köpeny

12 Csendes-óce ceán

13 A Föld F szerkezete Óceán Asztenoszféra Litoszféra Mezoszféra Kéreg Szilárd belső mag Köpeny Óceáni kéreg Kéreg Folyékony külső mag Óceáni kéreg Moho Kontinentális kéreg A függőleges lépték 10-szerese a vízszintesnek Kontinentális kéreg erős nagyítással Kilométer Hőmérséklet és nyomás a mélységgel növekszik Felszín Mezoszféra: forró, de nem túlzottan a nagy nyomás következtében Asztenoszféra: meleg, gyenge, plasztikus Litoszféra: hideg, merev, törékeny

14 A Föld F szerkezete és összetételetele Kéreg: Óceáni kéreg Vékony: : 10 km, 3,0-3,3 g/cm 3 Rétegtanilag egyszerű = ofiolit sorozat: üledék k (~0.3( km vastag) párnaláva (bazalt) függőleges (réteges) telér r (bazalt) masszív gabbró ultrabázisos tömegt (köpeny) Óceáni kéreg Kontinentális kéreg Litoszféra: hideg, merev, törékeny Mélység Felső köpeny (km) Asztenoszféra: meleg, gyenge, plasztikus Átlagos ~ bazaltos (Mg-Fe Fe-szilikát t + kevés s Ca-Al Al-szilikát) legidősebb a déli Csendes-Óceán (~180 millió év)

15 A Föld F szerkezete és összetételetele Kéreg: Kontinentálisis kéreg Vastag: : km, átlagosan ~35 km Erősen változv ltozó összetétel: üledék k (~1.8( km vastag) felső kéreg: gránitos, ~2,7 g/cm 3 alsó kéreg: bazaltos, 3,0-3,3 g/cm 3 Óceáni kéreg Kontinentális kéreg Litoszféra: hideg, merev, törékeny Mélység Felső köpeny (km) Asztenoszféra: meleg, gyenge, plasztikus Átlagos ~ granodiorit (Ca-Al Al-szilikát t + kevés s Mg-Fe Fe-szilikát) legidősebb a Kanadai, Dél-Afrikai és Ausztráliai pajzs (~4,25 milliárd év)

16 A Föld F szerkezete és összetételetele Köpeny: Peridotit (ultrabázisos kőzetk zet) Felső köpeny 410 km-ig (olivin spinell) Felső köpeny felső része ( km) Asztenoszféra Kis sebességű zóna (LVL( LVL) Átmeneti zóna sebesség g növekszikn ~ gyorsan 660 km spinell perovszkit-típus Si IV Si Si VI Gazdag geokémiailag olvad Alsó köpeny további fokozatos sebesség növekedés Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Kéreg Köpeny Mag Felső köpeny Átmeneti zóna Alsó köpeny Külső mag (likvid) Belső mag (szilárd) Mélység (km) LVL

17 Mélység (km) A Föld F belső szerkezete Felső köpeny Átmeneti Zóna Sűrűség Gránát peridotit Spinell peridotit - - Gránát Majorit gránát Ortopiroxén Klinopiroxén Fe A felső köpeny, az átmeneti zóna z és az alsó köpeny ásványi összetétetele, tetele, tovább bbá a sűrűségs változása a mélysm lység függvényében olivin spinell Ferroperiklász Alsó köpeny Mg-szilikát perovszkit Ca-szilikát perovszkit Frakció

18 A Föld F szerkezete és összetételetele Mag: Fe-Ni Ni(+Co) fémötvözet (+ S és s O) Külső mag folyékony kony, vezető, áramlás, dinamó hatás mágneses tér nincs S-hullám Kéreg Köpeny Felső köpeny Átmeneti zóna Alsó köpeny Külső mag (likvid) Mélység (km) LVL Belső mag szilárd ( P-fagy( fagyás ) Mag Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Belső mag (szilárd)

19 A Föld F belső szerkezete és összetételetele Szubdukciós zóna Litoszféra D réteg: km vastag, összetétele különbözik az alsó köpenytől Mélység (km) Alsó köpeny D réteg Külső mag olvadék Átmeneti zóna Óceáni hátság Sekély köpeny Belső mag szilárd Cross-section of the Earth showing its layered structure (source Dziewonski and Anderson, 1981)

20 A Föld F belső szerkezete és összetételetele

21 A FöldF övei kis

22 P és s T változv ltozása a mélysm lységgel A fizikai feltételek telek változv ltozása milyen változást von maga után n a föld f anyagaiban?

23 Nyomás s gradiens P növekszik = gh (tömeg) hidrosztatikus és s litosztatikus Közel lineáris is a kéregben k és köpenyben ~ 30 MPa/km (0,33 kbar/km) 1 GPa az átlagos kéreg k alatt Mag: erőteljesen növekszik n a fémf ötvözet sűrűbbs Pressure variation with depth. From Dziewonski and Anderson (1981). Phys. Earth Planet. Int., 25, Elsevier Science.

24 Nyomás s gradiens Hydrostatic pressure: the pressure caused by a column of water. In the upper crust of the Earth, there are enough fractures, cracks, and porosity that the fluid within these voids is under hydrostatic pressure. Lithostatic pressure: the pressure caused by a column of rock.

25 Hő és s forrása a FöldbenF 1. HőH a Föld F korai akkréci ciójából és s a differenciáci ciójából (mag képződés) hülés 2. Hő az instabil atommagok radioaktív bomlásából l (ma( főleg a kéregbk regből) ma is lassan és s folyamatosan a felszín n felé áramlik Informáci ció: megfigyelés s (mérés), modellez lezés, kisérlet, elméleti leti számol molás, mag képzk pződés s (kémiai), fizikai tulajdonságok változv ltozása, radioaktív v hőproduktivith produktivitás

26 Hő és s forrása a FöldbenF Föld hőáramh értékei (Brown & Mussett,, 1981): Kontinentális Óceáni Teljes hőátlag (W/m 2 ) átlag (W/m 2 ) mennyiség (W) Felszín: 53* *10-3 3*10 13 MOHO 28* *10-3 2,4*10 13 Mag/Köpeny 0,4-1,6*10 13 Különbség a kontinentális és óceáni kéreg között: Wilson, 1989

27 Hő és s forrása a FöldbenF Radioaktív elem koncentráció és hőtermelés a Földben (Brown & Mussett,, 1981): U (ppm) Th (ppm) K (%) Totál W/m 3 Kontinentális kéreg 1,6 5,8 1,7-3,0 1,0-1,1 Óceáni kéreg 0,9 2,7 0,4 0,5 Köpeny 0,015 0,08 0,1 0,02 Kéreg (radioaktív elemek)>köpeny (tömeg)>mag (külső mag olvadt) Wilson, 1989

28 Geotermikus ermikus gradiens (Geoterma) T változv ltozása a mélysm lységgel kőzet fizikai tulajdonságától (porozitás) és s a tektonikai környezettől függ Felszín n közelbenk zelben: mélyfúrás-ru, bánya-rsa: o C/km

29 Geotermikus ermikus gradiens (Geoterma) T változv ltozása a mélysm lységgel (kb. 200 km-ig) tektonikai környezet függvf ggvényében (fiatal<->id idős, kontinens <->óceán) Continental Geotherm Oceanic Geotherm Mag/K /Köpeny: ( o C) Estimated ranges of oceanic and continental steadystate geotherms to a depth of 100 km using upper and lower limits based on heat flows measured near the surface. After Sclater et al. (1980), Earth. Rev. Geophys. Space Sci., 18,

30 Geotermikus ermikus gradiens kb. 200 km től lefelé adiabatikus gradiens: o C/km (a hőmennyiség konstans) a MOR már kb. 75 km-től adiabatikus Variation in geothermal gradient within the upper 200 km of the Earth (Wyllie, 1981) Wilson, 1989

31 Geotermikus ermikus gradiens o C/km Geotermikus gradiens a kontinentális és óceáni litoszférában. Az utóbbiban a hőmérsh rséklet emelkedés s jelentősebb (hővezetésben különbsk nbség) g) ,5 o C/km Az asztenoszférában és s az átmeneti övben a gyorsabb konvekciós hőátadás és s az adiabatikus tágulás s miatt a geotermikus gradiens nagymért rtékben csökken., ill. állandó lesz. az átmeneti övben Hartai, 2003

32 Geotermikus ermikus gradiens DK-Ausztrália, DNy-USA, Kárpát-Pannon régió xenolitokból

33 Hő transzfer (transzport) Mechanizmus: melegebb hidegebb 1. HősugH sugárzás s (radiáci ció): elektromágneses hullámokkal (Föld az űrbe, Nap a Földre) F (transzparens közeg) k 2. Hővezetés s (kondu ondukció): hőenergia átadás forróbb részecskék rezgőmozgásával szilárd, függőleges, litoszféra és s D D réteg (fém < - > szilikát) 3. HőáramlH ramlás s (konvekció): hőenergia átadás anyagáramlással (képlékeny anyag, olvadék, fluidum) függőleges, asztenoszférában és külső magban: a belső felhajtőerő okozza, amit a termális tágulás vezérel (gyertya lángja - hol a legforróbb?; konvekciós cella) 4. Hőcsere H (advekció): hőenergia átadás mozgó anyaggal (kőzettel, pl. kiemelkedés) a hajtóerő megjelölése nélkül vízszintes?

34 Hő transzfer (transzport) Összefoglalás: kontrolálja a metamorfózist, magmás olvadást, kristályosodást, a Föld kőzeteinek mechanikai tulajdonságait Hőáramlás Hővezetés Hősugárzás Hősugárzás Advekció?

35 Nyomás és s hőmérsh rséklet változv ltozása a FöldbenF Pressure and temperature distribution in the Earth. The temperature estimate is uncertain, and at large depths is on the order of at least 1000 o C.

36 Nyomás,, sűrűségs és gravitáci ció változása a FöldbenF

37 Hő transzfer (transzport) a) Two-layer model Hőáramlás a Földben: Lemeztektonikai elmélet: anyag mozgás, ami a termális áramláson alapul A litoszféra nem passzív utas, óceáni kéreg: ha idős, hideg és sűrű lesűlyed a köpenybe b) Mantle-wide model Wilson, 1989 a) kétrétegű modell (átmeneti zóna, forró pontok) b) egyrétegű modell (hő a felszínre, aktív hajtóerő, plume - hőoszlop - csóva) Models of convention in the mantle (Basaltic Volcanism Study Project, 1981)

38 Globális lis hőáramlh ramlás Elfogadott modell Hőáramlás: meleg: közel az óceánközépi hátásghoz hideg: a kratonokon

39 A Föld F teljes összetételetele Teljes Föld Teljes szilikát Föld primitív köpeny Kontinentális & óceáni kéreg Kimerített köpeny Primitív köpeny Mag Mag A kezdet Az első 30 Mév Ma

40 A hét h t leggyakoribb elem a FöldbenF Relative atomic abundances of the seven most common elements that comprise 97% of the Earth's mass. An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter, Prentice Hall.