Cursul 3-4-5 Structura internă a Pământului PDF 2021

Cursurile 3 – 4 - 5 Structura interna a Pământului Învelișurile interne ale Pământului Compoziția si structura învelișurilor interne ale Pământului Variația densității in interiorul Pământului Variația temperaturii in interiorul Pământului http://eqseis.geosc.psu.edu/~cammon/HTML/...

Cursurile 3 – 4 - 5 Structura interna a Pământului Învelișurile interne ale Pământului Compoziția si structura învelișurilor interne ale Pământului Variația densității in interiorul Pământului Variația temperaturii in interiorul Pământului http://eqseis.geosc.psu.edu/~cammon/HTML/ Sursa - https://opentextbc.ca/physicalgeology2ed/wp-content/uploads/sites/298/2019/08/Physical- Classes/IntroQuakes/Notes/waves_and_interior.html Geology-2nd-Edition-Chapter-9-Earths-Interior.pdf  Interiorul Pământului si învelișurile sale, in funcție de caracteristici fizico-chimice D`` Interiorul Pământului: Crustă, Manta, Nucleu 1. Crustă continentală; 2. Crustă oceanică; 3. Manta superioară; 4. Manta inferioară; D`` la baza mantalei; 5. Nucleu extern; 6. Nucleu intern; A: Discontinuitatea Moho; B: Discontinuitatea Gutenberg; C: Discontinuitate Lehmann–Bullen https://phys.org/news/2015-12-earth-layers.html Credit: Huff Post Science STRUCTRUA INTERNA A PAMANTULUI D`` D`` Adaptat dupa Global Tectonics. Kearey et al. 2009 Invelișurile Pământului / Structura internă A) tipul elementelor componente (elemente chimice / minerale / roci) B) caracteristicile reologice (starea materialelor componente); A B  Preliminary Reference Earth Model (PREM) Model preliminar de referința privind caracteristicile învelișurilor Pământului Compoziția chimică a Pământului A. Intregul Pământ B. Crusta Renard et al., 15e edition du Pomerol, Paris, 2015, p 174 Preliminary Reference Earth Model (PREM) – Modelul Preliminar – tipuri de date Metode de studiu Tipurile de roci Dinamica caracteristice internă Compoziția mineralogică Compoziția chimică Variația temperaturii Caracteristici fizice / reologice https://en.wikipedia.org/wiki/Preliminary_reference_Earth_model A. CRUSTA / SCOARȚA Invelișul extern, in contact cu atmosfera, hidrosfera și biosfera Viteza undelor P in crusta si manta Separată de MANTA de discontinuitatea MOHO (Mohorovicic) Au fost identificate două tipuri de crustă, complet diferite / tranziție Temperatura 14 C – 120 C / GRADIENT GEOTERMIC Presiunea 0,1 MPa – 1,5 GPa (1 atm – 15 000 atm) Crusta continentala – corespunde aproximativ zonelor continentale Grosime 10 – 70 km (medie 30 / 40 km) Densitate 2,5 – 2,7 g/cm3 (doua invelisuri Crusta superioară / Crusta inferioara Vârsta de la 4 miliarde de ani – la mii de ani / Compozitie neomogenă Se formează in zonele de convergență a plăcilor litosferice (acreție) / se scurteaza in procesul de coliziune / convergenta) Compoziție echivalentă andezitică (SIAL) Crusta oceanică – corespunde aproximativ zonelor oceanice Grosime 0 – 15 km (medie 5/6 km) Densitate 2,7 – 3 g/cm3 (+/- sedimente, pillow lava (bazalt), dyke (bazalt), gabbrouri) Nu are discontinuități Vârsta 180 Ma – Recent Se formează in zonele de divergență (dorsale oceanice) / material din manta și se consumă (distruge in zonele de subducție) / Obducție / Ofiolite Compozitie echivalentă bazaltică (SIMA) http://en.wikipedia.org/wiki/File:Refraction_of_P-wave.PNG  Crustă continentală (CC) Crustă continentală (CC) Nivelul mării Crustă oceanică (CO) (CC) (CO) (CC) d = 2,7 g/cm3 D = 2,9 g/cm3 d = 2,7 g/cm3 MANTAUA d = 3,3 g/cm3 Crusta oceanica Crusta continentala (zona dorsalei oceanice) (zona de orogen) https://www.newscientist.com/article/2100988-worlds-oldest-ocean-crust-dates-back-to-ancient-supercontinent/ Crusta continentala are densitate mai mica / flotabilitate mai mare – corespunde zonelor continentale (inclusiv zonele de shelf) Crusta oceanica are densitate mai mare / flotabilitate mai mica – corespunde zonelor mai joase de la exteriorul Pământului (oceane) Crusta continentala Crusta continentala Crusta continentala Crusta oceanica (Bazine oceanice) Crusta oceanica Crusta continentala (Bazine oceanice) Crusta oceanica (Bazine oceanice) Crusta continentala Crusta continentala Crusta oceanica Crusta oceanica (Bazine oceanice) (Bazine oceanice) https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_crust#/media/File:World_geologic_provinces.jpg  Grosimea crustei (adancimea la care se gaseste discontinuitatea MOHO) Sursa: https://earthquake.usgs.gov/data/crust/  Harta geologica a lumii / Vârsta corpurilor de roci ce apar la suprafața Pământului https://www.geoexpro.com/articles/2018/07/3d-geological-map-of-the-world Structura crustei terestre crusta continentala Crusta oceanica COMPOZITIA CRUSTEI Roci Minerale Magmatice: bazalt, granit, gabbro, andezit Silicați 92% Metamorfice: gneise, sisturi, amfibolite, micașisturi, marmura Alte minerale 8% Sedimentare: gresii, argile, calcar, dolomit, sare, cărbuni https://www.sandatlas.org/composition-of-the-earths-crust/ http://www.mineralogy4kids.org/?q=rock-cycle  Olivina (Mg2+, Fe2+)2SiO4 MANTAUA Reprezinta 82% din volumul terestru si 68% din masa Pământului si este compusa din roci formate din silicati In functie de modul de propagare a undelor seismice (variatia vitezei) mantaua este divizata in: - Mantaua superioara – de la discontinuitatea Moho pana la 410 km, compusa din peridotit (olivina si piroxeni) + plagioclazi / granati - O zona de tranziție, mai plastica, formata din wadsleyite si ringwoodite (silicati) – intre 410 – 660 km (670km) - Mantaua inferioara, intre 660 / 700 km – 2891 km, este formata, in cea mai mare parte, din brigmanit (silicat) Ringwoodit - Ultimii 200 de km (Nivelul D``) prezinta anomalii in propagarea undelor seismice (Mg₂SiO₄) (incetiniri ale vitezei) https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/mantle/ Cresterea temperaturii si presiunii in manta, odata cu adancimea, determina schimbari in structura cristalina a olivinei si piroxenilor, olivina va avea o structura de tip spinel iar piroxenii de tip perovskit Partea superioara = 100 km sub oceane si 150 – 200 km sub continente este rigida si intra in structura LITOSFEREI Zona de tranzitie (plastica) ASTENOSFERA este o zona in care viteza undelor seismice scade Sub astenosfera are loc o crestere a vitezei undelor seismice https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/mantle/  Limita crusta – manta este pusa in evidenta de creșterea vitezei de propagare a undelor seismice (P) de la 7km/s la 8 km/s Aceasta creștere este datorata compoziției mineralogice diferite a mantalei fata de crusta. Rocile din manta au densitate mai mare p = 3,3 g/cm3) fata de 2,4 – 2,9 in crusta. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Refraction_of_P-wave.PNG Sursa: http://www.earth.northwestern.edu/people/seth/107/Gravity/contoceaniso.htm Structura mantalei Propagare a undelor seismice in interiorul Pământului pune in evidenta existenta unor învelișuri concentrice, cu structuri si compoziții diferite. In cazul mantalei se observa un comportament diferit al undelor seismice la partea superioara, fata de partea inferioara, motiv pentru care mantaua este separata in: mantaua superioara (intre Moho si 670/700 km) si mantaua inferioara (denumita istoric si mezosfera) (intre 670/700 km si 2900 km) Pentru crusta si partea superioara a mantalei se observa variația vitezei undelor seismice. Aceste variații au permis separarea următoarelor zone: - la partea superioara a mantalei superioare o zona solida (Litosfera – formata din crusta si partea superioara, rigida a mantalei) - o zona cu viteze mai scăzute (Low Velocity Zone = LVZ) - o zona de tranziție (intre 400/410 km si 670 / 700 km. - Astenosfera se extinde de la limita cu litosfera (LAB) pana la 400/410 km (LVZ) sau pana la 670 / 700 km (LVZ + zona de tranzitie) - Mantaua inferioara cuprinde in baza învelișul D”  Litosfera Litosfera (invelis rigid (de piatra) al Pământului Este formata din crusta (oceanica sau continentala) si partea superioara a mantalei (limita dintre crusta si manta este reprezentata de discontinuitatea Moho) Litosfera este împărțita in fragmente de dimensiuni variabile denumite placi litosferice. Acestea se misca unele fata de altele (deplasarea placilor litosferice) Sub litosfera se afla ASTENOSFERA (înveliș mai putin rigid (plastic), parte a mantalei superioare Plasticitatea astenosferei permite placilor litosferice sa se deplaseze si asigura echilibrarea izostatica a acestora Limita dintre Litosfera si Astenosfera (LAB) constituie un subiect de dezbatere si cercetare pentru a identifica cel mai bun model Limita dintre crusta oceanica sau continentala si manta (a) (b) Compozitia litosferei si relatia cu Astenosfera (b) (a) Sursa: http://www.physicalgeography.net/fundamentals/10h.html https://wikiislam.net/index.php?title=File:Lithosphere.gif&filetimestamp=20101023181031&  Limita Litosfera – Astenosfera (Lithosphere – Astenosphere Boundary (LAB) Este o limita ce este pusa in evidenta de măsurătorile seismice (considerata o discontinuitate). Aceasta limita indica schimbări de natura mecanica, termica, reologica ce apar intre litosfera si astenosfera Limita dintre litosfera si astenosfera este o limita aflata in dezbatere. In mod convențional LAB este considerata o limita termica (izoterma de 1280 C (1300 C), temperatura de la care o foarte mica parte (1 – 3%) din rocile din manta încep sa se topească. Topirea parțiala determina si proprietăți mecanice diferite intre litosfera (rigida) si astenosfera (plastica); Adincimea limitei este variabila, in functie de vârsta litosferei. Pentru litosfera oceanica, adâncimea limitei este la câțiva km in zona dorsalelor oceanice si ajunge la 40 – 150 km pe măsura ce litosfera este mai veche si mai rece; Pentru litosfera continentala limita inferioara este la adâncimi mai mari sub zonele de scut si platforma (crusta de vârsta Precambrian) si la adâncimi mai mici sub crusta de vârsta Fanerozoic. Adâncimea variază intre 150 si 250 / 300 km km. In zonele continentale cu vulcanism intens LAB este la adâncimi mai mici (https://en.wikipedia.org/wiki/Lithosphere%E2%80%93asthenosphere_boundary)  Astenosfera Astenosfera este un invelis plastic (are consistenta mai scăzută), fiind identificata ca o zona in care are loc o scadere a vitezei undelor seismice (Low Velocity Zone (LVZ) / Zona de Viteza Redusa (ZVR) Limita superioara a astenosferei poate fi la o adâncime ce variază de la câțiva km (in zona dorsalelor oceanice) la 250 / 300 km in zonele cu crusta continentala; Limita inferioara este variabila, putând fi plasata, in diferite modele, la 400 km sau la 660 / 670 / 700 km. Astenosfera are un rol fundamental in echilibrarea izostatica a litosferei si in deplasarea plăcilor litosferice (tectonica plăcilor) Crusta continentala Crusta oceanica Discontinuitatea Moho Manta superioara rigida Astenosfera (Manta superioara plastica) Sursa: http://www.physicalgeography.net/fundamentals/10h.html  IZOSTAZIE – o stare de echilibru gravitational intre LITOSFERA SI MANTA (ASTENOSFERA), in funcție de grosime si densitate (echilibru izostatic). Poate fi exemplificata prin analogia cu prisme de lemn ce se echilibreaza in apa In cazul Pamantului, litosfera rigida se echilibrează gravitațional in astenosfera plastica. Istoric - modele propuse - desen Modelul Airy (a) – echilibrarea izostatica se realizeaza prin variatii ale grosimii diferitelor zone din litosfera Modelul Pratt (b) – echilibrarea izostatica se realizeaza prin variatii ale densitatii diferitelor zone din litosfera Modelul Vening (c) – modelul flexural – diferitele zone ale litosferei, cu diferite densitati si grosimi, determina o flexurare (adancire) a astenosferei – exemplu calotele glaciare care au determinat o incarcare suplimentara a litosferei https://www.researchgate.net/publication/323184004_From_continental_rifting_to_conjugate_margins_insights_from_analogue_and_ numerical_modelling/figures?lo=1 Echilibrare izostatica pentru incarcarea / descarcarea litosferei datorate calotelor glaciare Calotele glaciare care determinat o încărcare suplimentara a crustei ce a acționat asupra mantalei (litosfera), determinând o afundare in astenosfera (subsidenta); După topirea calotei, crusta si mantaua superioara revin treptat la starea inițială prin ridicare (uplift). Procesul poarta numele de reechilibrare izostatica (izostatic rebound) Procese similare pot sa apara in cazul acumulării unor mase mari de sedimente sau curgeri vulcanice. http://www.antarcticglaciers.org/glaciers-and-climate/sea-level-rise-2/recovering-from-an-ice-age/ Relatia dintre izostazie si eroziune Eroziunea unei zone ridicate determina si o ridicare continua prin reechilibrare izostatica, astfel incat eroziunea va continua pana zona devine orizontala (proces de peneplenizare) In acest fel, pot sa fie aduse la zi (in aflorimente) porțiuni din crusta formata la mari adâncimi (dezgropare). https://wmblogs.wm.edu/cmbail/comfortably-disoriented-blue-ridge-mountains/  Plăcile litosferice / Tectonica plăcilor litosferice (proiecție orizontala) Plăcile litosfererice (secțiune) https://www.researchgate.net/publication/329577518_What_is_the_meaning_of_a_short- https://funwithteachingrocks.files.wordpress.com/2011/07/convection.gif term_earthquake_forecast/figures?lo=1  Structura interna a mantalei, cu evidentierea compozitiei si proprietatilor fizice Mantaua inferioara - Mantaua inferioara reprezintă aproape 60% din volumul total al Pământului, se extinde intre 670/700 km si 2900 km; - Presiunea variază intre 24 si 125 GPa (de la 0, 0,24 milioane de atmosfere, la partea superioara, la 1,25 milioane de atmosfere, la partea inferioara); - Temperatura creste de la 1650 grade C la 3800 grade C (vezi PREM) - Modelul propus pentru compoziție:, bridgmanit (Mg,Fe)SiO3 (oxid de magneziu si fier) si perovskit MgSiO3 D”layer (invelișul D”) https://www.britannica.com/science/lower-mantle Modele (ipoteze) pentru curenții de convecție din manta https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/mantle/ Panașe de manta (Mantle plumes) https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/mantle/  Tomografii le seismice permit o reconstrucție a interiorului mantalei (exemplu zona Yellowstone) Tomografiile seismice sunt realizate pe baza modului de propagare a undelor seismice înregistrate in diagrafiile seismice: Viteza de propagare este corelata cu starea de agregare: - Zonele mai calde vor avea o viteza de propagare mai mica (roșu) - Zonele mai reci (albastru) indica zone cu viteza mai mare Concluzii: - Mantaua nu are o structura omogena - Placile litosferice continua sa se scufunde lent in manta dupa subductie (zonele albastre) - Desi este aparent rigida, mantaua permite formarea curentilor de convectie (in timp geologic) https://phys.org/news/2018-03-evidence-plume-beneath-yellowstone-national.html NUCLEUL Reprezintă învelișul intern cuprins intre manta si centrul Pământului. Este împarțit, pe baza proprietăților fizice, in: NUCELUL EXTERN (in stare lichida) si NUCEUL INTERN (in stare solida) Caracteristici - Este format din fier (Fe) si nichel (Ni) + sulf si oxigen; - Temperatura in nucleu este estimata la valori ce variază intre 4500° si 6000° C - Presiunea este de 3,6 milioane de atmosfere; - Densitatea are valori de pana la13g/cm3; - Undele seismice de tip S nu trec prin Nucleul extern (lichid); - Mișcarea fluidului din nucleul extern, structura nucleului intern si rotația intre nucleul intern si cel extern determina formarea câmpului electromagnetic terestru; - Campul electromagnetic este foarte important in protejarea Pamantului impotriva radiatiilor cosmice si vanturilor solare, avand un rol determinant in pastrarea atmosferei si in protejarea organismelor vii (vietii); Structura interna si poziția nucleului - Toate planetele din Sistemul Solar, inclusiv cele gazoase, au un nucleu metalic (Fe si Ni) http://universe-review.ca/F09-earth02.html  Polii magnetici electromagnetici vs polii geografici Camoul magnetic terestru (simulare pe computer) Relationship between Earth's poles. A1 and A2 are the geographic poles; B1 and B2 are the geomagnetic poles; C1 (south) and C2 (north) are the magnetic poles. https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field Schematic of Earth's magnetosphere. The solar wind flows from left to right https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_wind#/media/File:Structure_of_the_magnetosphere_LanguageSwitch.svg  Concluzii - Pentru a determina structura Pământului sunt folosite observații directe, observații indirecte, modele si simulări, comparații cu alte planete, analiza meteoriților; - Cea mai importanta metoda de investigatie o reprezintă interpretarea datelor seismice; - Pe baza interpretării datelor a fost elaborat un Model Preliminar de Referința (PREM); - Conform datelor existente, Pământul are o structura formata din învelișuri concentrice, grupate in funcție de compozitia chimica si greutatea specifica a elementelor componente, de la exterior spre interior: atmosfera, hidrosfera, crusta, manta, nucleu - In funcție de caracteristicile fizice, învelișurile interne sunt: litosfera (rigida), astenosfera (plastica), mantaua inferioara (solida), nucleul extern (lichid), nucleul intern (solid); - Învelișurile interne au compoziție mineralogica diferita, trecerea de la un înveliș la altul este marcata de limite relativ clare denumite discordante: Moho (intre crusta si manta), Wickert – Gutenberg (intre manta si nucleu), Lehmann (intre nucelul extern si cel intern); - Au mai fost puse in evidenta si alte discontinuități: Conrad (in crusta continentala), Gutenberg (limita litosfera / astenosfera – LAB), Repetti (intre mantaua superioara si cea inferioara); - Crusta este de doua tipuri: oceanica si continentala. Fiecare are caracteristici distincte si moduri de formare diferite; - Litosfera este împărțita in placi de dimensiuni variabile aflate in mișcare unele fata de altele; - Astenosfera permite deplasarea plăcilor litosferice si echilibrarea izostatica; - Existenta unui nucleu extern lichid si a unuia solid si totatia diferita determina formarea campului electromagnetic; - Temperatura creste odata cu cresterea adancimii - gradient termic – 1 C / 33 m - Greutatea specifica a elementelor din invelisurile pamantului cresc odata cu adancimea  Resurse web https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/seafloor-spreading/ Decembrie 2020 https://www.nasa.gov/education/materials/ Decembrie 2020 http://geopark.org.uk/pub/2015/10/interesting-and-fun-geology-education-websites/ Ianuarie 2021 https://stratigraphy.org/chart / ianuarie 2021 https://www.geologypage.com/plate-tectonics-map https://web.ics.purdue.edu/~braile/edumod/waves/Pwave.htm (simulare unde P) https://web.ics.purdue.edu/~braile/edumod/waves/Swave.htm (simulare unde S) https://web.ics.purdue.edu/~braile/edumod/waves/Rwave.htm (simulare unde R) https://web.ics.purdue.edu/~braile/edumod/waves/Lwave.htm (simulare unde L) https://web.ics.purdue.edu/~braile/edumod/waves/WaveDemo.htm (curs seismometrie) https://opentextbc.ca/physicalgeology2ed/part/chapter-1-introduction-to-geology/ (curs –Geologie fizica)