Fyzika Země

Fyzika Země - úvod
Sylabus
Základní rysy sluneční soustavy a teorie jejího vzniku.
- pohyby těles (rotace okolo Slunce, okolo vlastní osy, rovina oběhu)
- distribuce hmoty (Slunce, vnitřní a vnější planety, asteroidy atd.)
- moderní nebulární teorie a implikace pro složení (nebula, kondenzace, planetesimály, podobné
zastoupení refraktorních prvků v tělesech, diferenciace volatilních prvků)
Chemické složení sluneční soustavy a Země.
- meteority (chondrity-uhlíkaté chondrity, achondrity, železa), mineralogie, diferenciace, podobnost se
Zemí
- složení Slunce - podobnost s uhlíkatými chondrity i se Zemí
- diferenciace prvků ve sluneční soustavě a v planetách (diferenciace před akrecí planet, po akreci,
důležitost tepla z kolizí těles, chladnutí a gravitace)
- princip odhadu složení jádra a pláště (připovrchové vzorky a nepřímé indikátory - hustota a rozložení
hustot z mechaniky Země, celkové složení z geochemického modelu, geomagnetismus, seismické
vlastnosti)
Seismické vlastnosti Země
- princip odvození vertikálního rychlostního profilu z čásů příchodu seismického signálu na seismické
stanice (známé ohnisko, hodochrony, modelování tvaru paprsků)
- vertikální rychlostní profil (diskontinuity a gradienty rychlostí)
- laboratorní metody studia seismických vlastností hornin (ultrazvuková měření, vysokotlaké
experimenty)
- vliv tlaku na seismické vlastnosti (střižný a objemový modul)
- vliv složení na seismické vlastnosti (různá složení=různé elastické moduly, hrubá korelace s hustotou)
- fázové přechody (změna krystalové struktury=změna hustoty i elastických modulů)
Dnešní představa základní struktury Země
crust
Informace z gravitačního účinku Země a
momentu setrvačnosti
→ celková hustota, rozložení hustot
Informace z kosmochemie a povrchových
vzorků
→ geochemicko/petrologické modely
Seismologie a laboratorní experimenty
→ struktura a složení Země
Magnetické pole Země
→ procesy v zemském jádře
Tepelný tok, tíhové anomálie,
magnetizace oc. dna, distribuce
zemětřesení, pohyby a topografie
zemského povrchu, geologie
→ desková tektonika a proudění v plášti
Vývoj názorů na strukturu Země
velikost Země - Eratosthenes (276-194 BC) aj.
hmotnost Země – Cavendish 1798
představa pevného jádra v kapalném médiu – Halley 1692
...
kvantitativní modely zemského nitra – Herglotz, Wiechert, Guttenberg atd. od 1907
Vývoj představ o stáří Země
Vývoj představ o stáří Země
Fyzika Země - struktura přednášky
- Přehled základních rysů Země – složení, struktura, dynamika (Špaček, září-říjen)
- Tíhové pole Země a izostaze (Švancara, listopad)
- Geomagnetika (Chadima, listopad/prosinec)
- Různé
PRVNÍ BLOK – SLOŽENÍ, STRUKTURA A
DYNAMIKA ZEMĚ
- základní rysy Země, geochemicko-petrologické modely
- radiální struktura – jádro-plášť-kůra
- dynamika Země a laterální heterogenity (subdukce, plumes, konvekce)
- geotermika, reologie
Učební podklady
- přednášky, prezentace a sylaby
• W. Lowrie: Fundamentals of Geophysics (1997, 2007 Cambridge
Univ. Press)
• D. L. Anderson: Theory of Earth (1989, Blackwell Sci. Publ.), New
Theory of Earth (2007, Cambridge Univ. Press)
• B. Bryson: A short history of nearly everything (2003, Broadway
Books) = Stručná historie téměř všeho (2005, Pragma)
- konzultace: [email protected]
SLUNEČNÍ SOUSTAVA
SLUNEČNÍ SOUSTAVA
- stejný směr oběhu planet
- stejná rovina oběhu planet
- rotace většiny planet ve směru oběhu
DISTRIBUCE HMOTY
– 99.9% ve Slunci
– dva typy planet – vnitřní (terestrické) a vnější (jovian)
– měsíce, pás asteroidů, komety
MODERNÍ NEBULÁRNÍ HYPOTÉZA
(Solar Nebular Disc Model)
MODERNÍ NEBULÁRNÍ HYPOTÉZA
→ Zhruba stejné složení všech těles sluneční soustavy...
...kromě volatilních prvků
- po vzniku Slunce: některé volatilní prvky nemohou
kondenzovat při vyšších teplotách
→ kondenzace H+He pouze v externích částech nebule
(a ve Slunci)
- některé volatilní prvky (He, Ne, Ar) unikají z atmosféry
- dnešní atmosféra je zřejmě sekundární
Srážky zárodků planet
numerický model vzniku dvojplanety
Země-Měsíc
Diferenciace planety
Diferenciace v ostatních vnitřních
planetách
Stáří povrchu vnitřních planet
Desková tektonika – Země je dynamická
- pohyby desek – povrchové projevy tepelného motoru Země
- v současnosti má zřejmě deskovou tektoniku jedině Země
- Země má vhodnou kombinaci tepelné bilance a reologie
- pokračující diferenciace
CHEMICKÉ SLOŽENÍ ZEMĚ
ZASTOUPENÍ PRVKŮ VE SLUNEČNÍ SOUSTAVĚ
H>He>O>C>Ne>N>Mg>Si>Fe>S>Ar
METEORITY
- staré zbytky zárodků planet (>4.5 Ma)
- chondrity
- podobný obsah mnoha prvků jako v horninách svrch. pláště
- nejvyšší obsah volatilních prvků, nejprimitivnější materiál
- uhlíkaté chondrity
- achondrity + železa
- diferenciace
- obecně podobné složení refraktorních prvků ve všech kamenných
meteoritech
METEORITY
Chondrity – chemicky reprezentativní vzorky sluneční soustavy?
(Allende, Mexico)
CHONDRULE
SLOŽENÍ CHONDRITŮ A SLUNEČNÍ FOTOSFÉRY
CHONDRITY: NEJHOJNĚJI ZASTOUPENÉ MINERÁLY, ULTRAMAFICKÉ SLOŽENÍ
Mg2SiO4
= enstatit
MgSiO3
= anortit
CaAl2Si2O8
kůra
O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg
Celkové složení
(model)
Fe
O
Si
Mg
Ni
S
Ca
Al
34.6wt%
29.5wt%
15.2wt%
12.7wt%
2.4wt%
1.9wt%
1.1wt%
1.1wt%
plášť
O, Si, Mg, Fe, Al, Ca
jádro
Fe, Ni, (+10wt% O, S, Si)
INDIKACE CHEMICKÉHO SLOŽENÍ
Země jako celek – celková hmotnost vs. hustota povrchových vzorků
Kůra – povrchové vzorky, xenolity + seismické vlastnosti, gravimetrie
Jádro – koeficient momentu setrvačnosti a celková hustota Země, analogie
se složením meteoritů, zemský magnetismus a seismické vlastnosti
Plášť – chemismus CI chondritů minus kůra a jádro
Svrchní plášť – povrchové vzorky a xenolity, seismické vlastnosti
Spodní plášť – pouze seismické vlastnosti
MINERALOGICKÉ SLOŽENÍ HLUBŠÍCH PARTIÍ
ZEMĚ
– seismické vlastnosti
SEISMOLOGIE – ZÁKLADNÍ ZDROJ INFORMACÍ O
STRUKTUŘE A SLOŽENÍ ZEMĚ
ZEMĚ - PROFIL SEISMICKÝCH RYCHLOSTÍ
gradienty
diskontinuity
SEISMICKÉ (ELASTICKÉ) VLASTNOSTI HORNIN
• mineralogie (hustota, elastické moduly; hustota je dána
chemickým složením a krystalovou strukturou!)
• lokální tlak a teplota (oba parametry ovlivňují hustotu,
skupenství a elastické moduly)
LABORATOŘ:
SEISMICKÉ RYCHLOSTI ROSTOU S TLAKEM
BO1083
8000
7500
rychlost [m/s]
7000
6500
6000
5500
5000
4500
0
100
200
300
400
tlak [MPa]
...Protože s tlakem rostou elastické moduly – rigidita (střižný
modul) a nestlačitelnost (objemový modul)...
+
λ
R
t
T
+
φ
Závislost rychlosti elastických vln na elastických modulech
podélné vlny
střižné vlny
Vp =
Vs =
4
K+ G
3
ρ
G
ρ
K – nestlačitelnost (objemový modul)
G – rigidita (střižný modul)
ρ - hustota
VYSOKOTLAKÉ EXPERIMENTY
- tlak na ploše je přímo úměrný působící síle
a nepřímo úměrný velikosti plochy
- hydraulické lisy – plocha 1-10 mm2 – tlaky <50 GPa
- diamantové cely (diamond anvil cell) – 10ky µm2 – tlaky >300 GPa
- vysoké teploty
- rtg. difrakce, mikrosondové analýzy, akustická interferometrie ...
sledování chemických reakcí, krystalové struktury, hustoty,
elastických vlastností
→
VYSOKOTLAKÉ EXPERIMENTY
- diamantové cely (diamond anvil cell) – mikrogramové vzorky, tlaky >300GPa
VYSOKOTLAKÉ EXPERIMENTY
660 km
2900 km
- simulace podmínek v zemském nitru až do vnitřního jádra
7000
6000
?
?
?
?
?
?
e)
3000
2000
d)
1000
0
c)
b)
0
50
a) DAC
b) externally heated DAC
c) Laser-heated DAC
d) Large-volume presses
e) shock-wave regime
6370 km
4000
5100 km
teplota (K)
5000
a)
100
150
200
tlak (GPa)
250
300
350
400
SEISMICKÉ VLASTNOSTI
vs.
HUSTOTA
Birchovo pravidlo – rychlost seismických vln
je přímo úměrná hustotě materiálu, a tedy i
střednímu atomovému číslu materiálu.
Birch 1953: Změny seismických rychlostí mezi 400 a 600km nelze
vysvětlit jako důsledek tlaku nadložního pláště. Musejí zde nastat
fázové změny a/nebo chemické změny
fázové změny
selfkomprese
FÁZOVÉ ZMĚNY Mg2SiO4
- olivín → wadsleyit → Mg-spinel → Mg-perovskit + (Mg, Fe)O
FÁZOVÉ ZMĚNY MgSiO3
- enstatit → Mg-granát (+Mg-ilmenit, Mg-spinel, stišovit) → perovskit
Birchův zákon
ve vysokotlakých fázích
olivín
wadsleyit a spinel
perovskit
PLÁŠŤ - SKOKY V RYCHLOSTI SEISMICKÝCH VLN A FÁZOVÉ ZMĚNY
SHRNUTÍ
- sluneční soustava, hlavní procesy diferenciace planet
- chondrity a model chemického složení Země
- proměnlivost seismických rychlostí s hloubkou a její příčiny
- fázové změny v plášti
crust
Informace z gravitačního účinku Země a
momentu setrvačnosti
→ celková hustota, rozložení hustot
Informace z kosmochemie a povrchových
vzorků
→ geochemicko/petrologické modely
Seismologie a laboratorní experimenty
→ struktura a složení Země
Magnetické pole Země
→ procesy v zemském jádře
Tepelný tok, tíhové anomálie,
magnetizace oc. dna, distribuce
zemětřesení, pohyby a topografie
zemského povrchu, geologie → desková
tektonika a proudění v plášti
DOMÁCÍ ÚKOL
Nastudujte princip odvození celkové hustoty Země.
NÁPOVĚDA: Newton (síla), Newton (gravitace), Eratosthenes
aj., Galileo, Cavendish