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
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Planeten Jorden – Geofysik
Peter Schmidt
Rum Dk 227 i Seismologi-korridoren
Tel: 018 - 471 22 59
e-mail: [email protected]
Geocentrum
våning 2
Geofysik
Föreläsning 1
2013-09-10
Rum Dk 227
2
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Föreläsningsupplägg
Föreläsning 1:
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
Föreläsning 1
2013-09-10
3
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
Tillämpad geofysik:
(“Applied geophysics”)
Studier av jordskorpan och dess ytnära
delar, ofta med ett ekonomiskt syfte. (inkl.
miljögeofysik och ingenjörsgeofysik)
2013-09-10
4
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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?
Föreläsning 1
2013-09-10
5
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
t = 100 s
T = 109 K
H (75 %), He (25 %) bildas
(Idag: ca 74 % H, 24 % He)
Supernovor Grundämnen
tyngre än järn
bildas
2013-09-10
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
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
7
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
8
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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)
Föreläsning 1
2013-09-10
9
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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)
Föreläsning 1
2013-09-10
10
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Grand Canyon i genomskärning
Föreläsning 1
2013-09-10
11
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Petrografisk korrelation:
Grand Canyon, Zion och Bryce Canyon
Föreläsning 1
2013-09-10
12
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
13
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
2013-09-10
14
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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:
Föreläsning 1
1
1
H, 1p
4
2
16
8
(kärna)
He, 2p + 2n
O, 8p + 8n
2013-09-10
15
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
2013-09-10
16
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
17
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
18
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
=M o e
−λt 1 / 2
⇔ t 1 /2 =
2013-09-10
ln ( 2 )
λ
19
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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!
Föreläsning 1
2013-09-10
20
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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,
Föreläsning 1
2013-09-10
: Linjen skär y-axeln
21
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
2013-09-10
• Mängden Referensisotop
varierar från plats till
plats.
MEN
• Kvoten D/R är lika på alla
platser!
22
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
• Mängden Moderisotop har
minskat i varje prov.
2013-09-10
• Kvoten D/R har ökat.
• Kvoten M/R har minskat.
• Båda kvoterna varierar från
plats till plats.
23
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
2013-09-10
OCH
• Kvoten D/R har ökat.
• Kvoten M/R har minskat.
• Båda kvoterna varierar från
plats till plats.
24
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
2013-09-10
M/R
5 000 000 år
D/R
M/R
25
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
26
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
27
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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”).
Föreläsning 1
2013-09-10
28
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
2013-09-10
29
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
30
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
31
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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:
Föreläsning 1
2013-09-10
32
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
Refraktion
θ1
v1: hög
v2: låg
θ2
θ1 < θ2
v1 > v2
2013-09-10
θ1
θ2
θ 1 > θ2
33
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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
Föreläsning 1
S
S
> vS2 > vS1
2013-09-10
vP1
S
P
> vP2
P
Fast material
Flytande material
(vS = 0)
34
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
35
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
36
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
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.
Föreläsning 1
2013-09-10
37
