Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

- platedriften i et videre perspektiv Reidar G. Trønnes Naturhistorisk museum, Univ. i Oslo Jordas indre struktur og dynamikk.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "- platedriften i et videre perspektiv Reidar G. Trønnes Naturhistorisk museum, Univ. i Oslo Jordas indre struktur og dynamikk."— Utskrift av presentasjonen:

1 - platedriften i et videre perspektiv Reidar G. Trønnes Naturhistorisk museum, Univ. i Oslo Jordas indre struktur og dynamikk

2 Lithosfæren (jordplatene) km tykt skall (gj.snitt: 100 km) - inneholder jordskorpe (7-40 km tykk) og den øvre, stive delen av mantelen Asthenosfæren - diffus sone under lithosfæren - omtrent på 100 – 350 km dyp - lav viskositet Viskositetsprofil, log 10 (Pa s) Steinberger & Calderwood (2006) Dyp, km Mantel-kjerne-overgangen Asthenosfæren Lithosfæren

3 Energikilder for strømningene i kjerne og mantel ("Jord-maskinen”): Total indre energi: 46 TW (85% fra mantel og kjerne) 7 TW fra jordskorpa: radioaktivitet fra U, Th, K (godt fastlagt) ingen betydning for Jordas indre konveksjon-dynamikk TW fra mantelen: radioaktivitet fra U, Th, K og avkjøling 5-8 TW fra kjernen krystallisasjonsvarme og avkjøling

4 Jordas struktur og dynamikk Informasjonskilder Tyngdefelt Magnetfelt Varmestrøm Platebevegelser (kan måles, bl.a. med GPS) Høytrykkseksperimenter – mineralogi og mineralfysikk Kosmokjemi og geokjemi – jordas sammensetning og utvikling Seismologi – hastigheten av jordskjelvbølger To typer lydbølger gjennom Jordas indre: - P-bølger (trykkbølger): svinger parallelt med utbredelsesretningen - S-bølger (skjærbølger): svinger normalt til utbredelsesretningen

5 Jordas hovedstruktur fra seismologi (bl.a. globale svingninger etter store jordskjelv) og tyngdefelt Modellen gir meget godt fastlagt tetthet og trykk som funksjon av dypet

6 Temperatur: holdepunktene Indre-ytre kjerne-grense: 330 GPa / 5150 km: smeltepunktet for FeNi 660 km-grensen: Faseovergang til mineralet perovskitt ved 24 GPa Adiabatisk gradient for mantelen: under smeltekurven for stein Adiabat for ytre kjerne: over smeltetemp. for FeNi Kjerne-grensen: gigantisk termisk grenselag! Temp.kontrast: K ! (  T: 1300K) Tetthetskontrast: kg/m 3

7 G/  = v s 2 K/  = v p 2 – 4/3v s 2 =  (seismiske parameter) Seismisk hastighet  mineralfysiske egenskaper Trykkstivhet (bulk modulus): K Skjærstivhet (skjær-modulus): G Mineralogi og seismologi: nære forbindelser

8 Mineralfysikk: Enhetscellens V og  som funksjon av p og T In-situ røntgendiffraksjon under høy p og T: - i diamant-cellen - høy-intensitets synkrotron-stråling Braggs lov: n  = 2 d sin 

9 Metallpakning 3 cm Diamantcellen

10 100  m Laser-varming av prøve i diamantcelle, Univ. of Bristol

11 stråle Til detektor Røntgendiffraksjon ved høy-intensitets synkrotronstråling

12 Mg-perovskitt, MgSiO 3 Jordas dominerende mineral - 75% av nedre mantel (nedre mantel: 54 volum% av Jorda) - 41 vol% av Jorda ! Ca  2004: Mineraloger: Ja, trolig (store høytrykks-teknologiske begrensninger) Seismologer: Seismiske reflektorer kan tyde på faseovergang(er) nederst i mantelen Er Mg-perovskitt stabilt gjennom hele mantelen ? (SiO 6 ) 8  -oktaeder Mg 2+ -kation

13 D”-sonen (først beskrevet av Bullen,1940) - stor variasjon i lydhastighet - anisotropi - minst to seismiske reflektorer km over kjerne-mantel-overgangen - to store lavhastighets-områder under Stillehavet og Afrika ( km tykke) - mindre ultra-lavhastighetslinser (5-40 km tykke)

14 Lay & Helmberger (1983, Geophys. J. Roy. Astr. Soc) S-bølge triplett Samoa California

15 Faseovergang til post-perovskitt MgSiO 3 -perovskite post-pv phase T-gradient Mineralogisk gjennombrudd i 2004: MgSiO 3 (Murakami et al. 2004) KM-grensen

16 Pv: høy entropi, Post-pv: lav entropi Pv-ppv-overgangen er svært temperaturfølsom

17 Stor T-økning nær kjernegrensen Pv (med høy entropi) blir re-stabilisert like over kjernegrensen Seismisk tomografi Avbildning av hastighetsvariasjoner i 2 eller 3 dimensjoner

18 Dyp, km Seismisk tomografi: store T-variasjoner øverst og helt nederst i mantelen S-bølge-kontrast, % Dyp, km

19 To store antipodale lavhastighets-områder (LHO  LLSVP) Afrika – Stillehavet (nær ekvator - 180º separasjon) Sirkumpolarbelte med høye hastigheter S-bølge-modeller, D”-sonen Dette mønsteret faller sammen med geoiden: Jordas ”overflateform” (sfærisk harmonisk grad-2-mønster) Dziewonski et al. (2010, EPSL) Trønnes (2010, Mineral.Petrol.) Stillehavet Afrika

20 Paleogeografisk relokalisering Nær periferien til de to antipodale LHO - langtids-stabilitet (≥ 300 Ma) - tungt og varmt materiale (termokjemiske hauger) Dagens SBP-kart - aldre: 16  297 Ma - tilsynelatende tilfeldig geografisk fordeling –1% sakte +2.5% hurtig –3% sakte Afrika Stillehavet Burke & Torsvik, 2004, EPSL Torsvik et al., 2006, GIJ Burke et al. 2007, EPSL Torsvik et al. 2008, EPSL Torsvik et al. 2010, Nature SC Termiske oppdriftsbobler og søylestrømmer fra kjernegrensen: nye indikasjoner fra paleo-geografisk rekonstruksjon av store basaltprovinser (SBP) Oslo-feltet ! SCLIP, 300Ma SC

21 Platekonfigurasjon og platehastighet

22 Termokjemisk haug

23 Seismisk tomografi-snitt Nær ekvator Mellom- Amerika ØSR Burma New Guinea MAR IHR Tonga Afrika India Midthavs-rygger: MAR: Midt-Atlantiske rygg IHR: Indiske-hav-ryggen. ØSR: Østlige Stillehavsrygg Subduction zones Schubert, Turcotte and Olson (2001, Mantle convection in the Earth and planets. Cambridge Univ. Press)

24 Omtrentlig ekvatorsnitt Legg merke til: 1. Platebevegelsen er stedvis mot frem- herskende mantelstrøm i øvre mantel 2. Ingen dyp og sterk oppstrøm under midthavsryggene. Disse er passive plategrenser Trønnes (2010, Mineral. Petrol)

25 Tredimensjonalt: Er dette ”semi-sylindriske” strømmer ??!! Vanlige lærebok-illustrasjoner: Dziewonski et al. (2010, EPSL) Semi-sylindriske konveksjonsceller er ikke en god modell. - Dype og aktive oppstrømmer under midthavsryggene eksisterer ikke - Midthavsryggene er grunne (<300 km) fenomener med tilfeldig lokalisering (der lithosfærebrudd oppstår som følge av tensjon) - Hovedområdet for subduksjon de siste 200 Ma er det brede sirkum-polare (og sirkum-Pacifiske) beltet som er koplanært med Jordas rotasjonsakse

26 Hva driver platebevegelsen ?

27 Krefter som påvirker platebevegelsen - Lithosfæreplatene glir ned fra midthavsryggene, som rager 2-4 km høyere enn dyphavs.slettene - Litosfæreplatene er så tunge at de synker nedover langs subduksjonssonene. Dette er kanskje viktigst fordi plater med stor netto subuksjonslengde (i retning av platebevegelsen) har stor hastighet - Store kontinenter med dype lithosfærerøtter bremser platebevegelsen Trønnes (2010, Mineral. Petrol)

28 Jordas rotasjonsakse er knyttet til massefordelingen og geoiden Steinberger and Torsvik (2010, GGG) Beregnet rotasjonsakse kun fra LHO-bidragene (tungt og varmt materiale) Virkelig rotasjonsakse: samlete massebidrag: LHO + subdusert masse i ØM og OS

29 Dziewonsky et al. (2010, EPSL) Sammenligning av seismisk tomografi i D” med en modell for lithosfære-oppsamling Lithgow-Bertelloni & Richards (1998, Rev. Geophys.) 2. grads topp 2. grad Sfærisk harmonisk analyse (SHA) SHA-spektrum Akkumulert spektrum Lithosfære-modell Tomografi- modeller Tomographic models Slab model Preliminære konklusjoner 1. Det sterke 2. grads-mønsteret fra tomografien er kun i liten grad reprodusert av modellen for lithosfære-oppsamling (i 300 Ma) 2. D”-strukturen kan være urgammel (>>300 Ma, kanskje >4 Ga) Subdusert lithosfære-model: Seismisk tomografi:

30 Hva er materialet i de to antipodale lavhastighetsområdene ? Basalt-dominert - separert fra subdusert lithosfære - stort alders-spenn: 0  4 Ga Peridotittisk (eller komatiittisk) med høyt Fe/Mg-forhold - kumulater fra magmahav-kystallisering eller smeltemateriale fra deloppsmelting på stort dyp - Hadeisk alder (sannsynligvis > 4.2 Ga)

31 Garnero & McNamara (2008, Science) LHO (LLSVP): ca. 300 km tykke  ofte bratte marginer Krav til det tunge materialet: - moderate tetthetskontrast (2-4 %) - høyere bulk modulus (stivhet) enn omgivende mantel - geokjemisk masse-balanse Høy termisk konduktivitet og lav termisk utvidelse i materialene kan bidra til å stabilisere de tunge antipodale områdene

32 Mantel-mineralogi Irifune & Tsuchiya (2007, Treatise on Geophys.) Ricolleau et al. (2010, JGR) Grocholsky et al. (2012, PNAS)

33 Tetthet og stivhet for mineralene i peridotitt og basalt K 0 (GPa) Mg-pv Ca-pv 236 bløtest: ferroper (FeO-MgO) stivest: silica (stish. -  PbO 2 ) Basalt: høy , høy K 0 men silika-mineralene er lette Vanlig peridotitt: pv, fp, ( Ca-pv) lavere , lavere K 0 Materialet i lavhastighets-områdene - fremdeles uavklart - kan være Hadeisk, f.eks. Fe-rike peridotitter (kumulater, dype smelte-produkter)

34 Nye fremskritt: 2004 – i dag Mineralogi og mineralfysikk Teoretiske, første-ordens beregninger ("ab initio”) DFT – superdatamaskiner, numerisk løsning av Schrødinger-likningen Forbedret teknologi for høytrykks-eksperimentering bedre diamanter ved CVD-fabrikasjon, synkrotron-anlegg Seismologi Forbedret oppløsning i seismisk tomografi-eksperimenter OBS-nettverk - kartlegging av søylestrømmer Forbedret seismisk signalbehandling (”stacking”)

35 Geodynamikk Kobling av platebevegelser på overflaten med strømningene i mantelen (seismisk tomografi, mineralfysikk, fluidmekanisk simulering) 4-dimensjonalt: rom og tid ( >300 Ma → Proterozoikum → Hadeikum ??) Toneangivende "Oslo-gruppe”, Trond Torsvik et al.

36 Meget generell konklusjon For alle stein-jern-planeter med flytende kjerner: Mantelen er "herren" – kjernen er "slaven" Sitat fra Dave Stevenson, Caltech D.v.s.: Viskositeten i mantelen begrenser konveksjon og varmetap fra den flytende ytre kjernen


Laste ned ppt "- platedriften i et videre perspektiv Reidar G. Trønnes Naturhistorisk museum, Univ. i Oslo Jordas indre struktur og dynamikk."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google