- platedriften i et videre perspektiv - PowerPoint Presentation

Slide1

-

platedriften i et videre perspektiv

Reidar G. TrønnesNaturhistorisk museum, Univ. i Oslo

Jordas indre struktur og dynamikkSlide2

Lithosfæren

(jordplatene)

- 80-200 km tykt skall (gj.snitt: 100 km) - inneholder jordskorpe (7-40 km tykk) og den øvre, stive delen av mantelenAsthenosfæren

- diffus sone under lithosfæren - omtrent på 100 – 350 km dyp - lav

viskositet

Viskositetsprofil, log10

(Pa s) Steinberger & Calderwood (2006)

Dyp, km

Mantel-kjerne-overgangen

Asthenosfæren

LithosfærenSlide3

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-dynamikk31-34

TW fra mantelen:

radioaktivitet fra U, Th, K og avkjøling

5-8

TW fra

kjernen

krystallisasjonsvarme og avkjølingSlide4

Jordas struktur og dynamikk

Informasjonskilder

TyngdefeltMagnetfeltVarmestrømPlatebevegelser (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 utbredelsesretningenSlide5

Jordas

hovedstruktur

fra seismologi (bl.a. globale svingninger etter store jordskjelv) og tyngdefelt

Modellen gir meget godt

fastlagt tetthet

og trykksom funksjon av dypetSlide6

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

:

2500 - 3800 K !

(DT

: 1300K)

Tetthetskontrast: 5500 - 9900 kg/m

3Slide7

G/

r = vs2

K/r = vp2 – 4/3vs2 =

F (seismiske parameter)

Seismisk hastighet

 mineralfysiske egenskaper

Trykkstivhet (bulk modulus): K

Skjærstivhet

(skjær-modulus):

G

Mineralogi og seismologi:

nære forbindelserSlide8

Mineralfysikk:

Enhetscellens V og r som funksjon av p og T

In-situ røntgendiffraksjonunder høy p og T: - i diamant-cellen - høy-intensitets synkrotron-stråling

Braggs lov:

n

l = 2 d sin qSlide9

Metallpakning

3 cm

DiamantcellenSlide10

100

m

Laser-varming av prøve i diamantcelle, Univ. of BristolSlide11

stråle

Til detektor

Røntgendiffraksjon ved

høy-intensitets synkrotronstrålingSlide12

Mg-perovskitt,

MgSiO3

Jordas dominerende mineral - 75% av nedre mantel (nedre mantel: 54 volum% av Jorda) - 41 vol% av Jorda !

Ca. 1980 - 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+

-kationSlide13

D”-sonen

(først beskrevet av Bullen,1940) - stor variasjon i lydhastighet -

anisotropi - minst to seismiske reflektorer 300-50 km over kjerne-mantel-overgangen - to store lavhastighets-områder under Stillehavet og Afrika

(200-400 km tykke) - mindre ultra-lavhastighetslinser (5-40 km tykke)Slide14

Lay & Helmberger (1983, Geophys. J. Roy. Astr. Soc)

S-bølge triplett

Samoa

CaliforniaSlide15

Faseovergang til

post-perovskitt

MgSiO3-perovskite

post-pv phase

T-gradient

Mineralogisk gjennombrudd i 2004:

MgSiO

3

(Murakami et al. 2004)

KM-grensenSlide16

Pv:

høy entropi, Post-pv:

lav entropi

Pv-ppv-overgangen er svært temperaturfølsomSlide17

Stor T-økning nær kjernegrensen

Pv

(med høy entropi) blir re-stabilisert like over kjernegrensen

Seismisk tomografiAvbildning av hastighetsvariasjoneri 2 eller 3 dimensjonerSlide18

Dyp, km

Seismisk tomografi:

store T-variasjoner øverst og helt nederst i mantelen

S-bølge-kontrast, %

Dyp, kmSlide19

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

AfrikaSlide20

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

SCSlide21

Platekonfigurasjon og platehastighetSlide22

Termokjemisk

haugSlide23

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)Slide24

Omtrentlig ekvatorsnitt

Legg merke til

:1. Platebevegelsen er stedvis mot frem- herskende mantelstrøm i øvre mantel2. Ingen dyp og sterk oppstrøm under

midthavsryggene. Disse er passive plategrenser Trønnes

(2010, Mineral. Petrol)Slide25

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 Slide26

Hva driver platebevegelsen ?Slide27

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)Slide28

Jordas rotasjonsakse er knyttet til massefordelingen og

geoiden

Steinberger and Torsvik (2010, GGG)

Beregnet rotasjonsakse

kunfra

LHO-bidragene (tungt og varmt materiale)

Virkelig rotasjonsakse:

samlete massebidrag:

LHO

+

subdusert

masse i ØM og OSSlide29

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:Slide30

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)Slide31

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 områdeneSlide32

Mantel-mineralogi

Irifune &

Tsuchiya (2007, Treatise on Geophys.)Ricolleau et al. (2010, JGR)Grocholsky et al. (

2012, PNAS) Slide33

Tetthet og stivhet for mineralene i

peridotitt og basalt

K0 (GPa)

Mg-pv

230-260

Ca-pv 236bløtest: ferroper. 158-152 (

FeO-MgO

)

stivest:

silica 314-325 (

stish. - aPbO2)

Basalt: høy

r, høy K0

men silika-mineralene er lette

Vanlig peridotitt

: pv, fp

, (

Ca-pv

)

lavere

r

,

lavere

K

0

Materialet i

lavhastighets-områdene

- fremdeles

uavklart

- kan være

Hadeisk

, f.eks. Fe-rike

peridotitter

(

kumulater

, dype

smelte-produkter

) Slide34

Nye fremskritt: 2004

– i dagMineralogi 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”)Slide35

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.Slide36

Meget generell konklusjon

For alle stein-jern-planeter med flytende kjerner:Mantelen er "herren" – kjernen er "slaven"

Sitat fra Dave Stevenson, CaltechD.v.s.:

Viskositeten i mantelen begrenser konveksjon og varmetap fra den flytende ytre kjernen