Geofysik
Geovetenskap – Planeten Jorden, 30 hp
(delkurs Bergrunden och livets utveckling, 10 hp)
Uppsala Universitet
Föreläsning III
Tillämpad Geofysik,
Bergskedjor och Isostasi
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Tillämpad geofysik
• Tillämpad geofysik innebär mätningar av fysikaliska egenskaper
hos jordskorpan som sedan tolkas för att svara på de ställda
frågorna.
• Geofysiska mätningar kan underlätta geologisk kartläggning
men har oftast ett ekonomiskt syfte, t. ex. Prospektering.
• Tillämpad geofysik används även inom miljö- och
ingenjörstillämpningar.
Föreläsning 3
2013-09-13
2
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Tillämpad geofysik
Olika metoder för att svara på frågor såsom:
Hur djupt är det till berggrunden?
Vart går gränserna för den här malmkroppen?
Finns det sprickzoner där vatten flödar?
Hur mycket vatten har pumpats ur den här
reservoaren?
Hur långt har föroreningen spridits ?
Finns det en forntida boplats i detta område?
Föreläsning 3
2013-09-13
3
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Geofysiska metoder
Gravimetri (mätning av Jordens tyngdkraftfält)
Magnetometri (mätning av Jordens magnetfält
Geoelektriska och elektromagnetiska metoder
(kartläggning av Jordens elektriska ledningsförmåga och elektriskt ledande strukturer)
Seismiska metoder – kartläggning av strukturer i
jordlager och berggrund.
Föreläsning 3
2013-09-13
4
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Gravimetri
F1 =Kraften på kropp 1
F2 =Kraften på kropp 2
m1 = Massa kropp 1
m2 =Massa kropp 2
r =Avstånd mellan kropparnas
masscentrum
G =Newtons (gravitations-)
konstant ( 6,67×10-11 Nm2/kg2)
• Bygger på Newtons lag om kraftpåverkan mellan två kroppar.
• I gravimetri mäts denna kraft i form av acceleration av en kropp, F = m2 × g.
• På grund av att Jordens massfördelning inte är uniform varierar den på Jordytan
uppmätta tyngdkraften kontinuerligt med positionen.
• Genom modellering kan en modell över denna massfördelning tas fram.
• Kan användas till att finna t.ex. malmer (högre densitet), tunnlar (mindre massa),
etc.
Föreläsning 3
2013-09-13
5
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Global tyngdkraftsanomali
Föreläsning 3
2013-09-13
6
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Magnetometri
• Jordens magnetfält bildas av elektriska
strömmar i den yttre kärnan.
• Vid Jordytan så liknar fältet det från en
dipol.
• Magnetfältet påverkas av mineral som
innehåller bl.a. järn och nickel extra
mycket vilket leder till lokala
oregelbundenheter i magnetfältet.
• Dessa oregelbundenheter kan
modelleras och tolkas.
• Kan användas för att finna magnetisera
bara metaller.
• Används inom arkeologin då aska kan
påverka magnetfältet.
Föreläsning 3
2013-09-13
7
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Magnetfält över kopparporfyrmalm
Geologisk miljö
Uppmätt magnetfält + anomali använd i inversion.
Modell över malmkroppen
Föreläsning 3
2013-09-13
8
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Potentialfält över Kristinebergs gruvområde, Malå kommun
Magnetfältsanomali
Föreläsning 3
Tyngdkraftsanomali
2013-09-13
9
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Seismiska metoder
• Kartlägger diskontinuiteter i jordlager/jordskorpa genom seismiska
vågor.
• En seismisk signal skickas ner i marken och sedan mäts ankomsttiden
för denna våg vid ett antal seismografer/geofoner.
• Sammanställning av data från många geofoner och många skott ger en
2D eller 3D bild av gränsskikt nere i marken.
Föreläsning 3
2013-09-13
10
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Reflektionsseismik
• Reflektionsseismik använder sig av reflekterade seismiska vågor som
studsat på gränsskikt.
• Man mäter ankomsttiden för de reflekterade vågorna
vilket ger djupet till reflektorerna.
• Ser djupt (många km) men inte ytnära strukturer.
Ultraljud fungerar liknande
Tid (s)
1 Geofon
260 Geofoner
Föreläsning 3
2013-09-13
11
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Reflektionsseismik – Exempel
Bergrunden under
Östersjön
(Shahrokhi, 2012)
Havsströmmar vid
Portimao Canyon,
söder om Portugal
2005
2009
Övervakning av injicerat CO2
(Yang, 2012)
Föreläsning 3
2013-09-13
12
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Refraktionsseismik
• Refraktionsseismik använder sig av refrakterade vågor vilka propagerar
i underliggande lager.
• Man mäter ankomst tiden för de refrakterade vågorna vilket ger djupet
till gränsskiktet.
• Ytnära lager och strukturer (Oftast mindre än 50 – 100 m).
Tid (s)
1 Geofon
260 Geofoner
Föreläsning 3
2013-09-13
13
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Seismisk Tomografi
• Seismisk Tomografi använder sig av direkta seismiska vågor.
• Beräknar hastigheterna i olika områden i berggrunden och får på så sätt en
uppfattning om t.ex. densitet, sammansättning och temperatur.
• Direkta vågor innebär kortare färdsträckor, vilket betyder starkare
signal och mindre brus.
marken
skottpunkt
-2 %
hastighet
geofon
Medicinsk
tomografi
-1%
0%
1%
2%
borrhåll
Föreläsning 3
2013-09-13
14
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Seismisk Tomografi – Exempel
Japan
Stilla Havs plattan
Djup (km)
Jordbävningsfokus
Vulkan
S-våghastighet (%)
Föreläsning 3
2013-09-13
15
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Geoelektriska & Elektromagnetiska metoder
Kartläggning av markens elektriska ledningsförmåga
1. Prospektering:
• Grundvatten
• Olja
• Malm
• Brytvärda mineral
1. Kartläggning av:
• Sprickzoner i berggrunden
• Föroreningars utbredning
• Sprickor i dammanläggningar
Föreläsning 3
2013-09-13
16
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Geoelektriska metoder
Mäter markens elektriska
ledningsförmåga
En elektrisk ström, I, skickas
ner i två elektroder (A & B)
och spänningen, ΔU, mäts i
två elektroder (M & N).
Elektrisk sondering: Ledningsförmågans variation med djupet mäts genom
att avståndet mellan elektroderna A & B ökas.
Elektrisk profilmätning: Ledningsförmågans variation i sidled mäts genom
att uppsättningen flyttas i sidled.
Båda metoderna kan kombineras för att skapa en 2D eller 3D bild av
ledningsförmågans variation i marken.
Föreläsning 3
2013-09-13
17
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Geoelektriska metoder – Exempel
Salt-domers plats och förflyttning
(Günther, 2004)
Arkeologiska undersökningar
(Günther, 2004)
”Yellowstone superplume”
(Zhdanov, 2011)
Föreläsning 3
2013-09-13
18
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Elektromagnetiska metoder
• En varierande elektrisk ström i en
sändarloop genererar ett
magnetfält.
• Detta magnetfält inducerar
elektriska virvelströmmar i ev.
förekommande elektriska ledare
nere i marken.
• Dessa strömmar genererar i sin tur
ett sekundärt magnetfält som
registreras i en mottagarspole.
Föreläsning 3
2013-09-13
19
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
MT + Seismik, Kristineberg profil 5
Föreläsning 3
2013-09-13
20
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Kristineberg 3D modell
Föreläsning 3
2013-09-13
21
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Sammanfattning tillämpad geofysik
• Tillämpad geofysik är en rad metoder som kan ge kunskaper om förhållanden i
marken som inte kan observeras direkt.
• Används ofta inom bl.a. geologisk kartläggning och prospektering efter malm,
olja, vattenreservoarer m.m.
• Ytterligare användningsområden inkluderar miljöundersökningar, arkeologi,
ingenjörsprojekt m.m.
• Olika metoder:
Gravimetri (variationer i jordens tyngdkraftsfält)
Magnetomeri (variationer i jordens magnetfält)
Geoelektriska- och Elektromagnetiska metoder (jordens elektriska
ledningsförmåga)
Seismiska metoder (seismiska vågors fortplantning genom jorden)
Ytterligare metoder finns...
Föreläsning 3
2013-09-13
22
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Världens större bergskedjor
Föreläsning 3
2013-09-13
23
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Uppmätningen av Indien
The Great Arc 1802-1843
Mål:
• Etablera en bas för
uppmätningen av Indien.
• Mäta längden av en grad i
latitud.
Leddes av:
• William Lambton 1802-1823
• George Everest 1823-1843
• Under en felkontroll i slutfasen
av mätningarna upptäcktes ett
fel som man förklarade med
närheten till Himalaya.
Föreläsning 3
2013-09-13
24
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Himalayas påverkan på uppmätningen av Indien
Föreläsning 3
2013-09-13
25
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Isostasi = “Lika jämvikt”
Isostasi baseras på att manteln beter sig som en vätska över geologiska tidsperioder.
I en vätska i jämvikt är trycket lika på lika djup, om trycket skiljer sig åt i två punkter på
samma djup kommer vätska strömma från punkten med högre tryck till punkten med
lägre tryck tills jämvikt uppnås.
Trycket på ett givet djup i en vätska i jämvikt beror enbart på massan ovanför detta djup
Pratts modell:
Gänsen mellan skorpan och manteln ligger på konstant djup, topografi kompenseras av
densitetsskillnader i skorpan.
Airys modell:
Densiteten i skorpan är konstant, topografi på ytan kompenseras av topografi i gränsen
mellan skorpan och manteln → Bergskedjor har djupa rötter av skorpa som sträcker
sig ned i manteln.
T.e.x. Ett berg i Himalaya med en höjd på 8 km kompenseras av en rot som sträcker
sig 58 km djupare ned i manteln än gränsen mellan skorpan/manteln under
ett område i nivå med havsytan.
Föreläsning 3
2013-09-13
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Landhöjning i Sverige
Den senaste istiden varade ca 100 000 år
och avslutades för ca 10 000 år sedan.
Skandinavien täckt av upp till
3 000 m tjockt istäcke.
Jordskorpan nedtryckt med upp till
500 -700 m.
Nedtryckningen idag fortfarande upp till
ca 100 m under jämviktsnivån.
Landhöjningen idag som mest 10 mm/år
längs höga kusten.
Landhöjningen som snabbast för ca
14 000 -12 000 år sedan med hastigheter
på upp till 700 mm/år.
Föreläsning 3
2013-09-13
27
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Plattektonisk karta
Föreläsning 3
2013-09-13
28
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Kontinentkollision
Oceanisk lithosfär subduceras under den
kontinentala och kontinenterna närmar sig
varandra.
När kontinenterna möts vill ingen av dem sjunka
och det blir en kraftig kollision med veckning och
förkastningar.
Den ena dras ner lite av den sjunkande oceaniska
plattan, så att den skjuts in under den andra vilket
leder bl.a. till:
1. Skorpans tjocklek dubbleras,
2. Isostatisk kompensation,
3. Partiell smältning i gränsen mellan plattorna,
4. Mjukt berg trycks ut längs huvudförkastningen.
Föreläsning 3
2013-09-13
29
Berggrunden och Livets Utveckling – Geofysik
Bergskedjor och Isostasi sammanfattning
• Bergskedjorna består generellt sett av väldigt deformerade bergarter
och har bildats som resultat av kollisioner mellan lithosfäriska plattor.
• Isostasi (lika jämvikt) innebär att bergskedjorna har djupa rötter som
sträcker sig ned i manteln.
• Effekten av erosion motverkas till viss del av isostatisk kompensation
• Landhöjningen i Skandinavien efter den senaste istiden är ett exempel
på isostatisk kompensation
• Aktiva kollisioner mellan två plattor bidrar även till en bergskedjas
överlevnad.
• Vid kontinent-kontinent kollision orsakas en dubblering av skorpan på
grund av sammantryckning och överskjutning.
Föreläsning 3
2013-09-13
30
