litosféra

LITOSFÉRA A PETROLOGIE SVRCHNÍHO PLÁŠTĚ
Litosféra
-problém definice a metod průzkumu (různé metody → různé mocnosti)
-rozdíly mezi oceánskou a kontinentální litosférou
-MOHO
-proměnlivost mocnosti litosféry i MOHO
-závislost mocnosti na stáří a tektonickém režimu
Vzorky litosféry
-klasifikace plášťových ultrabazik
-původ vzorků (xenolity, ofiolity, orogenní fragmenty pláště, abysální peridotity+vrty)
-petrologie vzorků (a odlišnosti podle původu)
-hloubky vzorků (a odlišnosti podle původu)
-typická litologie vzorků (průměrné složení a seismické vlastnosti)
Petrologické modely svrchního pláště
- modelování zdrojové litologie bazaltů (experimentální petrologie)
- model primitivního pláště (a kritéria pro jeho vlastnosti)
STRUKTURA ZEMĚ
Příklad seismogramu:
Objemové vlny: (P, S)
hypocentrum
Povrchové vlny:
Silná zemětřesení
(M>6) produkují
vlny registrovatelné
kdekoli na glóbu.
R4
Příklad:
Seismogramy
povrchových vln
zemětřesení na
Sumatře 2004, M=9
R2
R3
ohnisko
R1
R1
R2
seismometr
Courtesy of R. Aster
ZEMĚ V PROPORCÍCH
Litosféra
LITOSFÉRA
- reologie podobná horninám v povrchových podmínkách
- kůra + nejsvrchnější část pláště
- MOHOrovicicova diskontinuita – chemické rozhraní kůra/plášť
- LITOSFÉRA ≠ KŮRA
- oceánská vs. kontinentální
- mocnost závislá zejména na stáří a tektonickém režimu (extenze vs. komprese,
tektonická eroze báze kontinentální litosféry)
LITOSFÉRA
- oceánská litosféra – 45-100km
- kontinentální litosféra – 80-300km
- problém definice:
Seismologie – elastické vlastnosti (rychlost a útlum elastických vln)
Geotermika – termální projevy konvekce plastického pláště
- povrchová měření tepelného toku + modelování
- výpočet teploty ekvilibrace minerálních asociací v xenolitech
Magnetotelurika – astenosféra má zvýšenou elektrickou vodivost
Různé geofyzikální metody ukazují různé hodnoty mocnosti litosféry!
LITOSFÉRA
Problém definice: různé geofyzikální metody ukazují různé hodnoty mocnosti
litosféry!
Artemieva et al. 2006
LITOSFÉRA
- velmi proměnlivá
mocnost
- různé mocnosti
z různých metod
- silně zhlazené
modely
Artemieva et al. 2006
LITOSFÉRA
- termální model mocností (vypočteno na základě regionální geotermy a stáří kůry)
Artemieva et al. 2006
Staré štíty vs. kenozoické orogény
KŮRA – základní struktura
- oceánská – 5-8km (0 -15 – oc. plató >20km)
- kontinentální – 30-50km (20-80km)
- přechodná – 15-30km (oceánské ostrovy,
oblouky, okraje kontinentů)
sediment
KŮRA – složení
sediment
bazalt
gabro
granitická
plášť
- oceánská – zhruba složení bazaltu
- kontinentální – zhruba složení andezitu (dioritu)
- granitická svrchní kůra (granodiorit)
- bazičtější spodní kůra (diorit, amfibolit, granátický granulit)
- Conradova diskontinuita (pouze lokálně vyvinutá)
bazická
plášť
KONTINENTÁLNÍ KŮRA – silně heterogenní
Struktura svrchní kůry zastižené vrtem KTB:
Rychlostní profil, 0-11km
Strukturně-litologický model, 0-4km
SEISMOLOGICKÁ DEFINICE MOHO DISKONTINUITY
(Mohorovičičova diskontinuita, 1909)
Relativně náhlá změna rychlostí P vln ze 6-7km/s na rychlosti cca 8km/s.
sp. kůra
6-7 km/s
svrch. plášť
okolo 8 km/s
Refrakční seismický profil CEL-09
Moho se projevuje silnou reflexí a refrakcí seismických vln
MOHO
globální hloubka Moho + topografie:
- značná proměnlivost, tlustá kůra – aktivní orogény, staré štíty
MOHO
- proměnlivá hloubka Moho v Evropě
- tlustá kůra:
- alpínská pohoří
- baltický štít
- východoevropská platforma
Panonská pánev
Extrémní extenze a ztenčení kůry a litosféry mechanismy souvisejícími se subdukcí v oblasti
východních Karpat:
litosféra: 60-80 km
kůra: 22-28 km, lokálně max. 33 km
Model ze seismických a magnetotelurických dat
Seismický model
Praus et al. (1990), Babuška et al. (1992), mapa podle Horvátha (1993)
podle Horvátha (1993) na podkladech Posgay et al. 1986 aj.
RYCHLOSTNÍ PRŮŘEZ LITOSFÉROU USA
Horninové vzorky svrchního pláště
KLASIFIKACE PLÁŠŤOVÝCH ULTRAMAFIK
PERIDOTIT, Al-fáze:
s přibývající hloubkou: plagioklas → spinel → granát
Plagioclase
peridotite
Spinel
peridotite
Garnet
peridotite
HORNINOVÉ VZORKY PLÁŠTĚ
- xenolity – lherzolity (a eklogity)
- ofiolity – harzburgity (a žíly pyroxenitů)
- orogenní fragmenty pláště – lherzolity (a eklogity)
- oceánské (abysální) peridotity – serpentinizované harzburgity
OCEÁNSKÁ LITOSFÉRA:
OFIOLITY
bazalt
harzburgit
OMÁN
OFIOLITY
polštářové lávy
OFIOLITY
sheeted dikes
OFIOLITY
OCEÁNSKÁ LITOSFÉRA – VRTY DO OCEÁNSKÉHO DNA
Deep Sea Drilling Project (1966, USA)
→ Ocean Drilling Program (1985, mezinárodní)
→ Integrated Ocean Drilling Program (2004)
• pozorování a vzorkování
prostředí pod mořským
dnem
VRTY DO OCEÁNSKÉHO DNA
- několik tisíc vrtných jader z různých prostředí
- vrty běžně 10-ky až 100-ky metrů hluboké
- výjimečně až 2km hluboké, až 7km pod hladinou oceánu
Jsou klasické ofiolity reprezentativní?
Jsou klasické ofiolity reprezentativní?
Značná proměnlivost mocnosti, struktury a složení oc. kůry
• rychlost rozpínáni riftu
• blízkost horkých skvrn apod.
• geometrie hřbetu riftu
• teplota a složení pláště
XENOLITY PLÁŠŤOVÝCH HORNIN
- vzorkují subkontinentální i suboceanickou litosféru
-v alkalických bazaltech a kimberlitech
-spinelové a granátické peridotity a v daleko menší míře eklogity
- z hloubek až cca. 200km
- reliktní minerální asociace v diamantech až z hloubek >600km???
XENOLIT LHERZOLITU
Vp = 8.1 km/s
(na úrovni Moho, 30km)
XENOLIT SPINELOVÉHO LHERZOLITU
klinopyroxen
ortopyroxen
olivín
spinel
PLÁŠŤOVÉ XENOLITY V ČESKÉM MASÍVU
OROGENNÍ FRAGMENTY PLÁŠTĚ
Brueckner and Medaris, J. metamorphic Geol., 2000, 18
v mnoha orogenech na celém světě, z hloubek až >200km
v Českém masivu z hloubek až >100km
Typické seismické vlastnosti lherzolitu (xenolit z panonské pánve):
foliace
Seismická anizotropie svrchního pláště
Bazalty ukazují složení pláště
EXPERIMENTÁLNÍ PETROLOGIE:
ZPĚTNÉ MODELOVÁNÍ SLOŽENÍ PRIMITIVNÍHO PLÁŠTĚ
Částečné tavení peridotitů různých složení za vysokých teplot a tlaků
→ vznik bazaltových tavenin různého složení
PERIDOTIT → BAZALT
EXPERIMENTÁLNÍ PETROLOGIE:
ZPĚTNÉ MODELOVÁNÍ SLOŽENÍ PRIMITIVNÍHO PLÁŠTĚ
Obrácený princip Bowenovy posloupnosti krystalizace z taveniny:
- do taveniny přednostně vstupuje Si a Al (klinopyroxen a Al-fáze)
- v reziduu zůstává Mg (olivín)
VZNIK BAZALTŮ A
ZPĚTNÉ MODELOVÁNÍ SLOŽENÍ PRIMITIVNÍHO PLÁŠTĚ
Parciálním tavením fertilního peridotitu vzniká magma zhruba bazaltového
složení, peridotit se přitom mění z lherzolitu v harzburgit až dunit.
VZNIK BAZALTŮ A
ZPĚTNÉ MODELOVÁNÍ SLOŽENÍ PRIMITIVNÍHO PLÁŠTĚ
Bazalty musejí pocházet z pláště (chemismus, xenolity) a jsou celosvětově rozšířené –
jejich studium je klíčové pro znalost složení pláště
Většina xenolitových peridotitů je ale více či méně ochuzena o nekompatibilní prvky
(snadno tavitelné složky) a nemohou produkovat typické bazalty.
→ pod ochuzeným pláštěm by měl existovat méně ochuzený zdroj bazaltů –
primitivní plášť.
PYROLIT – model primitivního pláště (CI chondrit minus jádro)
Ringwoodova představa složení oceánské litosféry
Ringwoodova představa složení litosféry - obecně