Přednáška II.
Planeta Země klíčová slova: planeta Země, anatomie Země, litosféra, globální tektonika, složení litosféry, endogenní a exogenní síly, tektonický a sedimentační cyklus.
1
Vznik vesmíru - „Velký třesk“ • V současné době je jako nejpravděpodobnější uznávána teorie, která začala událostí “Velký třesk", ke které došlo před 13,7 miliardami let (±0,17 mld. let). • Doba trvání „velkého třesku“ – tzv. 1 Planckův čas (5,4*10-44 s) • Inflace nekonečně malého, nekonečně hmotného, nekonečně žhavého bodu (=singularity). • Následný vývoj – rozpínání, vychládání, řídnutí, konsolidace.
2
3
4
• Cca 8 – 10 mld. let – rotací a koncentrací hmoty prachoplynového oblaku vzniká naše galaxie (cca 350-500 mld. hvězd, perioda rotace 200 mil. let) • Před 5 mld. let geneze protoplanetárního mračna v naší části galaxie: - Složení: H, He (98%), NH4, CH4, H20 (1,4%), prachové částice (0,44%) - disk o průměru 1012 km, hustota 10-22 g.cm-3 • Díky magnetickým a elektrostatickým silám dochází ke shlukování (= základ Sluneční soustavy, cca 4,7 mld. Let) • Vznik asteroidů, postupně protoplanet, v centru disku z tzv. solární nebuly vzniklo před 4,6 mld. let Slunce. • Zdrojem sluneční energie je termonukleární reakce, která probíhá v jeho nitru – spalování vodíku na He a jeho opětovný rozklad. 5
Schematický nákres spirální galaxie s vyznačením polohy Slunce
6
• Brzy po Slunci vznikly postupným soustředěním pevných kusů a zrn hmoty – akrecí planetesimál - terestrické planety Merkur, Venuše, Země a Mars. Ve stejné fázi se zachytily plyny a těkavé látky, které se staly základem jejich atmosfér. Ve stejné době rovněž vznikly ve větší vzdálenosti od Slunce planety vnější. • Před 4.5 mld. let vznikla planeta Země. • Planety vznikaly za poměrně nízkých teplot (-150°C až -250°C), záhy se však začaly zahřívat díky nukleární reakci při rozpadu radioaktivních prvků (především U, Th). • Dochází ke gravitační diferenciaci: ve středu se hromadí (Fe, Ni) → zemské jádro. To je obklopeno lehčím pláštěm. Nejlehčí látky se separují nejblíže k povrchu → zemská kůra. • Pevné těleso Země se tedy skládá z několika soustředných vrstev. Každá vrstva má své specifické chemické složení a fyzikální vlastnosti. 7
Akrece a diferenciace zemského tělesa.
Vznik Sluneční soustavy a Slunce. A. Protomlhovina, B. Formování diskovité soustavy, C. Vznik solární nebuly, D. Zažehnutí termonukleární reakce, E. 8 Akrece planet.
Základní stavební prvky Sluneční soustavy • Slunce (hvězda typu žlutý trpaslík) • 8 planet (tzv. terestrické - Merkur, Venuše, Země a Mars a tzv. vnější - Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. • Subplanetární tělesa (trpasličí planety, asteroidy, komety, prach…) • Satelity • Vnější hranice
– Kuiperův pás – Oortovo mračno
9
10
Co je vlastně planeta a proč??? • Historická – Merkur, Venuše, Země…Neptun a Pluto jsou planety. Nic jiného za planety považovat nelze. • Velikostní – Merkur – Pluto jsou planety, stejně tak jako nově objevené objekty sluneční soustavy, které jsou větší nežli Pluto. • Gravitační – Každý objekt který rotuje kolem své osy a zároveň obíhá kolem Slunce, je planeta. • Aktuálně platná – rozhodnutí IAU č. 5A (International Astronomical Union) z 26. valného shromáždění v Praze, které se konalo ve dnech 14. – 25. 8. 2006.
11
Planeta je nebeské těleso, které – obíhá okolo Slunce – má dostatečnou hmotnost, aby jeho vlastní gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa, takže dosáhne tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze (přibližně kulatého) a – vyčistilo okolí své dráhy. "Trpasličí planeta" je nebeské těleso, které – obíhá okolo Slunce, – má dostatečnou hmotnost, aby jeho vlastní gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa, takže dosáhne tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze (přibližně kulatého), – nevyčistilo okolí své dráhy a – není satelitem. S výjimkou satelitů by všechny ostatní objekty obíhající okolo Slunce měly být označovány společným termínem "malá tělesa sluneční soustavy".
12
Objekt 2003 UB313 „Eris“ se satelitem Dysnomia, průměr 3000 ± 400 km
Sedna (průměr 1800 km) a Quaoar (1250 km), donedávna další potencionální adepti na planetární status
13
Rozdělení těles Sluneční soustavy do tří základních kategorií. 14
Máme Slunce, Zemi, co ještě chybí? • Krátce po zformování zemského tělesa došlo ke vzniku jediného satelitu – Měsíce. • Teorií je několik, nejpravděpodobnější je tzv. „Teorie velkého impaktu“: • Země se v období svého formování (asi před 4,5 miliardami let) tečně, rychlostí přes 40 km/s, srazila s jinou, menší planetesimálou. • Pravděpodobně opakované ovlivnění: - nejprve blízký průlet, urychlení rotace Země, změna sklonu osy - po několika průletech došlo k impaktu - vypaření prvotní atmosféry Země, opětné roztavení povrchu - vznik disku žhavých par a roztavených hornin, rychlá konsolidace (desítky tis. let. → geneze Měsíce) 15
Diagram možných vysvětlení vzniku Měsíce.
Ilustrace kolize mladé Země s tělesem velikosti Marsu. 16
Anatomie Země • Země se skládá ze tří složek: - vzdušné atmosféry - vodní hydrosféry - pevné geosféry • Tyto tři složky jsou uspořádány podle hustot. To je podmíněno zemskou gravitací, jež směřuje k zemskému středu. Biosféra, sféra života na Zemi, zasahuje do všech tří složek. • Zemi lze geometricky definovat jako trojosý elipsoid, velmi blízký kouli. Přibližně kulatý tvar zemského tělesa byl dokázán Newtonovým gravitačním zákonem. Působením odstředivé síly, která vzniká rotací Země kolem své osy, dochází k jejímu zploštění v oblasti pólů. Bereme-li v úvahu tvar reliéfu, hovoříme o tzv. geoidu. 17
18
• Geofyzik K. E. Bullen rozdělil na základě jeho studie o šíření zemětřesných vln zemské těleso do sedmi sfér. • Vymezil tak jednotlivé části, tzv. Bullenovy zóny, které se od sebe liší teplotou, tlakem a hustotou. • Tyto zóny tvoří tři základní jednotky zemského tělesa: zemskou kůru zemský plášť zemské jádro.
19
Zemská kůra • Zemská kůra je tvořena jednou Bullenovou zónou. Její mocnost je v průměru 35 km a dělí se podle umístění na: kůru kontinentální a oceánskou. • Kůra pod kontinentálními oblastmi je tvořena převážně z křemíku a hliníku (proto dříve často používaný termín - sial), mocnost 25 – 75 km.
• Pod oceánskými oblastmi a v podloží kontinentální kůry jsou nejhojnějšími prvky křemík a hořčík (dříve užívaný termín sima), mocnost 6 – 15 km.
• Kůru odlišuje od zemského pláště náhlá změna hustoty. Tato plocha, známá jako Mohorovičićova diskontinuita (rozhraní), krátce 20 MOHO.
Blokdiagram kontinentální a oceánické kůry.
21
Kontinentální kůra: • Komplikovaná stavba svrchní části, velká mocnost, nižší průměrná hustota • Tři základní vrstvy: - sedimenty - mocnost 2 – 4 km - pestré litologické složení - granity
- kyselé a neutrální vyvřeliny, metamorfity - mocnost 15 – 20 km
- bazalty
- komplex bazických hornin - obdobné spodní vrstvě oceánské kůry - mocnost 15 – 30 km 22
Oceánská kůra: • Podstatně menší mocnost, složitá stavba vyvřelých hornin • Tři základní vrstvy: - sedimenty - mocnost průměrně 0,5 km - bahna, vápence, silicity - bazaltoidy
- komplex bazických vyvřelin vč. láv - mocnost průměrně 1,5 km
- ultrabazity
- metamorfované bazické vyvřeliny - serpentinity, peridotity - mocnost průměrně 4 km
23
24
Zemský plášť • Plášť je tvořen třemi Bullenovými pásy: A. Svrchní plášť: • Skládá se z tenké pevné vrchní vrstvy, sahající pod MOHO do hloubky asi 60 - 100 km, dále z těstovité vrstvy astenosféry, dosahující asi 200 km a ze silné spodní vrstvy v rozpětí 200 - 700 km. • Zemská kůra a pevná část svrchního pláště tvoří litosféru, která se dělí na desky. Tyto desky se pohybují na astenosféře, která je vlivem tlaku a teploty blížícího se bodu tání téměř tekutá (plastická) (viz. obrázek 8.)
25
Kartogram litosféry a astenosféry.
Schéma svrchního pláště. 26
B. Střední plášť: • Svrchní plášť je od středního oddělen ve hloubce 1000 km diskontinuitou, na níž hustota hornin znovu vzrůstá. Spodní plášť je patrně tvořen hlavně minerály o vyšší hustotě, které vznikly tlakem nadložních forem. C. Spodní plášť • Mezi spodním pláštěm a jádrem leží v hloubce 2900 km další, tzv. Gutenberg-Weichertova diskontinuita. • Zemský plášť je tvořen převážně křemičitany, oxidy železa a hořčíku. Hustota zemského pláště se zvyšuje s hloubkou od 3,3 g.cm3 až po 9,4 g.cm3. V podílu na celkovou hmotnost Země má zemský plášť hmotnost okolo 67,5 %. 27
Umístění a rozsah spodního pláště.
28
Zemské jádro • Zemské jádro se nachází od hloubky 2 900 kilometrů až do středu Země (6 378 kilometrů). • Je složeno ze tří zón: vnější jádro, které zasahuje do hloubky 4 980 kilometrů, je polotekuté. Pod ním se nachází přechodná zóna, která odděluje vnější jádro od vnitřního jádra (nazýváno též jadérko), které je nejspíše tvořeno pevným stlačeným materiálem, pravděpodobně Fe a Ni. • Jádro Země je neustále udržováno vysokým tlakem v polotekutém stavu při teplotě okolo 5 800 °C. Hustota jádra se pohybuje mezi 11,3 g.cm3 - 17,3 g.cm3. Hmotnost jádra se odhaduje na 31 % celkové hmotnosti Země. • Uvnitř zemského jádra dochází k radioaktivním pochodům rozpadu prvků, tavení hmot a jejich transportu uvnitř zemského tělesa. 29
Vnitřní složení Země.
30
Jak to vlastně všechno víme? • Vrt na poloostrově Kola – pouze 1‰ průměru Země • Jsme odkázáni na nepřímé metody výzkumu – seismické vlny • Podélné (primární, P-vlny) – prostupují pevným i kapalným prostředím. – Rozkmitávají částice ve směru svého šíření – Jsou nejrychlejší, objevují se jako první, malá amplituda • Příčné (sekundární, S-vlny) – prostupují pouze pevným prostředím – Rozkmitávají částice ve směru kolmém na směr svého šíření – objevují jako druhé, s větší amplitudou 31
32
33
34
35
Endogenní a exogenní síly • Zásadní vliv na stavbu a morfologii litosféry mají endogenní a exogenní síly. • Endogenní (vnitřní) síly vznikají v nitru Země a projevují se například při pochodech vulkanických, diastrofických a jiných pohybech kůry zemské. K endogenní dynamice patří především nauka o vystupování magmatu do zemské kůry a na zemský povrch a o sopečných jevech. • Exogenní (vnější) síly se projevují účinky slunečních paprsků, vody ledu a mrazu, vzduchu a větru a účinky organizmů včetně člověka. Působení těchto činitelů bývá často zesilováno tíží zemskou. 36
• Endogenní síly je možné podle jejich působení rozdělit na: A. vulkanické • veškeré jevy spojené s výstupem magmatu a plynů na zemský povrch nebo do jeho blízkosti jako sopky, fumaroly, solfatary a mofety. • Magma je žhavotekutá tavenina, která vzniká a hromadí se v magmatických krbech v zemském plášti. V případě výstupu magmatu na zemský povrch je nazýváno lávou. • Proces při kterém magma proniká horninami zemské kůry, se nazývá magmatismus. Pokud magma utuhne ještě v rámci zemské kůry v podobě například tzv. lakolitu nebo batolitu, hovoříme o magmatismu intruzivním. Pokud dojde k výlevu magmatu na povrch, hovoříme o magmatismu efuzivním. 37
38
B. diastrofické • zahrnují v sobě jevy horotvorné (orogenetické) a pevninotvorné (epeirogenetické). • Orogeneze popisuje vznik pásemných pohoří pomocí silných a krátkodobých pohybů. Orogenezi předchází rostoucí pokles části z. kůry (geosynklinála), kde vzniká moře. Následuje zužování mořské pánve, nastává vrásnění a celý horninový komplex je vyzdvižen v podobě pohoří. Epeirogeneze charakterizuje slabší, ale dlouhodobě působící pochody vedoucí ke vzniku nové pevniny – popisuje zdvih rozsáhlých oblastí zemské kůry bez výraznějšího vrásnění nebo rozlámání. Dochází ke změně břehové čáry světového oceánu následkem zdvihu zemské kůry. 39
Globální tektonika • procesů v zemském nitru byly předmětem zájmu generací geologů Příčiny. • Neptunisté a Plutonisté – viz minulá přednáška • Od 19. století probíhají snahy o vysvětlení vzniku pohoří, a pohybu kontinentů. • Prvním důkazem o pohybu kontinentů byly paleontologické studie, kdy byl prokázán výskyt příbuzných skupin organismů na vzdálených kontinentech. • Dříve než byla prokázána existence vertikálních a horizontálních sil v rámci zemského tělesa, vysvětlením těchto nálezů byly hypotetické tzv. „pevninské mosty“. 40
• Už v roce 1858 upozornil A. Snider na nápadnou shodu západního pobřeží Evropy-Afriky a východního pobřeží obou Amerik a vyslovil teorii, že spolu v minulosti tyto kontinenty sousedily. • Na počátku 20. století se objevují řada teorií o příčinách tzv. kontinentálního driftu“ (A. Wegener). • Nejčastěji diskutovanými, ale postupně překonanými jsou: teorie kontrakční – příčinou vrásnění je smršťování zemského tělesa způsobované jeho vychládáním, expanzívní – Země se rozpíná příčinou nahromadění tepla v zemském nitru díky jaderným reakcím, tuto teorii v současnosti oživil geolog P. Rajlich, pendulační – díky periodickým výkyvům zemské osy dochází k opakovaném zaplavování a regresi na rozsáhlých územích zemského tělesa. 41
• Na sklonku 60. let 20 století byla zveřejněna teorie deskové tektoniky. Ta nabízí jasný a logický výklad pro mnohé z různých zemských strukturních a geofyzikálních jevů - od horotvorných procesů po zemětřesení a pohyb kontinentů. • Podle zmíněné teorie se litosféra skládá ze 14 pevných kontinentálních (litosférických) desek, které navzájem mění polohu t.j. jsou pohyblivé a „kloužou“ po astenosféře. • Protože tektonické členění zemské kůry na desky a jejich horizontální pohyb má celoplanetární globální charakter, je celý model označován jako globální tektonika (global tectonics). • Pohyb litosférických desek je unikát planety Země, ostatní terestrická tělesa ve Sluneční soustavě mají pravděpodobně litosféru v podobě jednoho nepohyblivého celoplanetárního masivu. 42
Vysvětlení nálezů stejných fosilií pomocí teorie kontinentálního driftu.
Rychlost pohybu litosférických desek 43
Velké desky
Malé desky
Pacifická
Nazca
Americká
Kokosová
Eurasijská (Perská subdeska)
Filipínská
Africká (Somálská subdeska)
Arabská
Indo-australská
Juan de Fuca
Antarktická
Karolínská Bismarckova Scotia
Tab. 1: Rozdělení litosférických desek (zdroj: www.natur.cuni.cz) 44
•
Na rozhraní litosférických desek lze sledovat divergentní, konvergentní a transformní rozhraní.
1. Divergentní rozhraní A. Oceánické hřbety - objevují se tam, kde se dvě desky oddalují a vzniklou trhlinu neustále vyplňuje magma, přicházející z astenosféry. Při ochlazování magmatu vzniká nová kůra. Tím dochází k rozpínání mořského dna. B. Kontinentální rifty - tektonicky založené lineární deprese (často příkopové propadliny), potenciální místa vzniku nového oceánu 2. Konvergentní rozhraní (příkopy, subdukční zóny) • tvoří se tam, kde se dvě desky sbíhají. Jedna z desek klouže příkře pod druhou a proniká do pláště. Dochází k pohlcování okrajů desky. 3. Transformní zlomy • vznikají tam, kde dvě desky horizontálně kloužou jedna vedle druhé. Posouvají oceánické hřbety a útesy, linie těchto zlomů lze sledovat tisíce kilometrů (zlom San Andreas na JZ USA). Kůra zde 45 nevzniká ani nezaniká.
Schematický nákres principu deskové teorie.
46
Mapa Země s vyznačením zlomů a kontinentálních desek.
47
Rozhraní litosférických desek. divergentní
konvergentní
transformní 48
Divergentní rozhraní – středoatlantský hřbet.
49
Divergentní rozhraní – východoafrický rift.
50
Animace pohybu kontinentálních desek – rozpad Pangey 51
• Na různých místech zemského povrchu jsou rozmístěny tzv. „hot spoty“ – horké skvrny.
• Jedná se o místa tvorby magmatu uvnitř pláště, z něhož tavenina stoupá vzhůru a projevuje se povrchovým vulkanismem. Každý hot spot musí míst tektonickou predispozici (zlom, přetlak, ztenčení kůra atd.).
• Životnost hot spotů je nejméně několik desítek milionů let.
• Je-li nad hot spotem pohybující se litosférická deska, projevy vulkanismu se v ní postupně stěhují a ukazují tak směr pohybu desky – příkladem jsou lineárně seřazené ostrovy Havajského souostroví. 52
53
Horninové cykly • V litosféře neustále probíhá koloběh hmoty. Ten můžeme rozčlenit na cykly, které jsou vzájemně propojeny. • a. tektonický cyklus: • Primární typ hornin jsou horniny vyvřelé, vzniklé z tekutého magmatu → Dochází k chladnutí a tvrdnutí (=krystalizace) → Vyvřelé horniny na zemském povrchu podléhají zvětrávání. Transportem rozložených částic a jejich následným uložení vznikají sedimentární horniny → U části sedimentů dochází ke zpevnění (diagenezi) → Pokud se dostanou do hlubokých partií zemské kůry, dochází k jejich metamorfóze. • Pokud se dále zvyšuje tlak i teplota, horniny jsou vtláčeny do pláště a postupně se mění v magma. 54
Schéma tektonického cyklu.
55
• b. sedimentární cyklus: • Sedimentárního cyklu se účastní jako jeden veliký celek litosféra, pedosféra, hydrosféra a atmosféra. • Vyvřelé horniny vzniklé v rámci tektonického cyklu (ale i metamorfické a sedimentární) jsou vyzdvihovány na povrch, kde zvětrávají. Pomocí exogenních činitelů jsou transportovány do oblastí, kde dochází k jejich nahromadění a sedimentaci (například nížiny, delty řek, mořské šelfy). • Část z těchto hornin klesá do větších hloubek zemské kůry (například při diastrofických pochodech), podléhá procesu metamorfózy a stává se součástí tektonického cyklu. Větší část sedimentárních hornin je erodována a opět se vrací do sedimentačního cyklu. 56
Schéma sedimentárního cyklu. 57
