Wykład 1 Prekambr i budowa Ziemi

Dyscypliny stosowane:

• Geologia surowcowa (złożowa) - zajmuje się poszukiwaniem, rozpoznawaniem, obliczaniem zasobów i określaniem warunków eksploatacji złóż surowców mineralnych.

• Geologia inżynierska - zajmuje się badaniem właściwości skał z punktu widzenia potrzeb budownictwa i zagrożenia obiektów inżynierskich.

• Hydrogeologia - zajmuje się badaniem pochodzenia i ruchu wód krążących w skałach, obliczaniem ich zasobów i ochroną, a także migracją zanieczyszczeń wód podziemnych

• Geologia środowiskowa - zajmuje się szeroką problematyką związaną z geologicznymi aspektami ochrony środowiska.

Powstanie Ziemi

Protosłońce - pierwsze w Układzie Słonecznym, powstało z kompleksu gazowo-pyłowego. Dysk protoplanetarny (spłaszczona mgławica gazowa) - powstał wokół Słońca ma rozmiar naszego Układu Słonecznego. Początek kształtowania Ziemi - 4,6 mld lat temu. Największe planetezymale wyłapywały mniejsze ciała - zarodki naszych planet. Początkowo wzrost był powolny, gdy masa zwiększyła się - coraz szybszy. W ten sposób powstała między innymi Ziemia. W wyniku zderzeń ciał niebieskich z Ziemią planeta zaczęła rozgrzewać się i topnieć. Meteoryty uderzające w Ziemię, roztapiały się, a uwięziona w nich woda parowała. Para wodna wraz z CO₂ unosiła się do góry, dzięki grawitacji nie ulatywała w kosmos - tak powstała atmosfera. Planetoidy uderzając w Ziemię uwalniały pierwiastki - cięższe szły na dno, a lżejsze utrzymywały się na powierzchni. Gdy coraz mniej planetoid uderzało w Ziemię ta zaczęła stygnąć.

Prekambr:

• 4,6 mld lat temu do 543 mln lat

• Reprezentuje 88% całej historii Ziemi

• Najstarsze minerały - 4,3 mld lat

• Najstarsze skały - 4 mld lat

• Najstarsze ślady życia - 3,8 mld lat

• W pierwszym okresie istnienia Ziemia była bombardowana obiektami kosmicznymi, co doprowadziło do całkowitego lub prawie całkowitego upłynnienia jej pierwotnej materii

• Materia stygnąc ulegała dyferencjacji tworząc geosfery, hydrosferę oraz atmosferę o zupełnie innym składzie niż obecnie

• Na początku prekambru skorupa ziemska była cienka (kilka km) zbudowana ze skał ultrazasadowych

• W wyniku niszczenia skał pierwotnej skorupy oraz pojawienia się hydrosfery powstały pierwsze osadowe skały ( 3,8 mld lat temu), które podobnie jak skały magmowe, ulegały przetapianiu i przeobrażaniu

• W wyniku różnicowaniu się magmy zaczęły powstawać pierwsze magmowe skały obojętne, a później kwaśne, tworząc w skorupie pierwsze mikrokontynenty

• 3,5 - 2,7 mld lat temu - powiększanie się skorupy i jej podział na segmenty oceaniczne i kontynentalne ( przyrastanie do jąder nowych kontynentów gnejsowych i łańcucha zlepieńców)

• W młodszym proterozoiku, w obniżeniach fundamentu krystalicznego, utworzyły się baseny, w których powstawały skały osadowe (ląd i morze), głównie okruchowe: zlepieńce, piaskowce, łupki ilaste. W zbiornikach morskich, w wyniku działalności sinic, tworzyły się wapienie.

• 4,3 - 3,5 mld lat - najstarsze datowane radiometrycznie kryształy cyrkonu

• W ciągu pierwszych 4 mld lat woda na powierzchni pochodziła z głębi Ziemi (procesy magmowe). Zbiorniki wodne były płytkie i ciepłe, stopniowo zwiększały swą głębokość i powierzchnię

• Do około 3 mld lat temu wody miały kwaśny odczyn ( rozpuszczone gazy wulkaniczne i atmosferyczne)

• W wyniku reakcji pomiędzy rozpuszczonymi w wodach substancjami oraz działania procesów biochemicznych (wiązanie CO₂) następowało zmniejszenie ich kwasowości (proces zakończony ok. 600 mln lat temu)

• Dopływ tlenu pochodzącego z fotosyntezy spowodował stopniową zmianę atmosfery na utleniającą. Znaczna część azotu zaczęła przechodzić z wód do atmosfery.

• Skład atmosfery ustabilizował się ok. 300 mln lat temu.

Ewolucja atmosfery:

• Pierwotna: wychwycona z mgławicy słonecznej; w większości wodór i hel; szybko zanikła

• Wtórna: uformowana przez odgazowanie wulkanów

• Trzecia: zmodyfikowana przez organizmy żywe (dodatek tlenu)

• 3,8 - 3,0 mld lat - najstarsze skamieniałości- bakterie sinicowe i produkt ich działalności- stromatolity

• Do około 600 mln lat temu życie na Ziemi rozwijało się bardzo powoli, dopiero po tym czasie nastąpił gwałtowny rozwój organizmów szkieletowych związany ze zwiększeniem się ilości tlenu w atmosferze

• Fauna z Ediacara niejednorodna grupa pierwszych zwierząt tkankowych. Niektóre ze zwierząt nie pozostawiły żadnych następców, inne należą do form istniejących współcześnie

• Odkryte na wzgórzach Ediacara w południowej Australii. Podobne formy życia odkryto w Rosji, Anglii. Skamieniałości pochodzą sprzed 550-543 mln lat.

• ok. 1 mld lat temu uformował się superkontynent Rodinia obejmujący większość dzisiejszych kontynentów. Rodinia rozpadła się ok. 0,7-0,8 mld lat temu tworząc Protopacyfik

• ok. 550 mln lat temu powstał kolejny wielki kontynent Protopangea.

Budowa Ziemi

Do podstawowych metod badań wnętrza Ziemi należą:

• m. geofizyczne (sejsmiczne, badania pola grawitacyjnego i magnetycznego Ziemi

• m. bezpośrednie; badania wnętrza Ziemi (wiercenia, badania rdzeni wiertniczych, geofizyka otworowa)

• pomiary strumienia ciepła Ziemi

• analiza law

• badania meteorytów

Badania sejsmiczne wykorzystują różne zachowanie się fal sejsmicznych w trakcie przechodzenia przez różne ośrodki skalne. Bada się rozchodzenie i prędkość fal sejsmicznych, które wzbudzane są w wyniku trzęsień Ziemi, wybuchów i działalności człowieka.

Fale sejsmiczne powstają na wskutek zaburzania równowagi w ciele sprężystym (skorupa ziemska i głębsze partie Ziemi). Tworzą się dwa rodzaje fal:

• Podłużne P

• Poprzeczne S

Podłużne (P) - cząstki drgają wzdłuż drogi fali; szybsze docierają do powierzchni, jako pierwsze; powodują zmiany objętości ośrodka- zagęszczenia (kompresja) i rozrzedzenia (dylatacja).

Poprzeczne (S) - cząstki drgają prostopadle do drogi fali, są wolniejsze od podłużnych, nie przechodzą przez ciecz; fale poprzeczne poruszają się tylko w ośrodkach stałych.

Fale podłużne i poprzeczne po dotarciu do powierzchni Ziemi wzbudzają dwa rodzaje fal powierzchniowych: fale Rayleigh`a i fale Love`a. Fale te rozchodzą się z miejsca najwcześniej uderzonego tj. od epicentrum. Poruszają się z prędkością od 3 do 3,8 km/s.

Prędkość fal sejsmicznych zależy m.in. od gęstości ośrodka, w którym się rozchodzą (im większa gęstość skały, tym większa prędkość rozchodzenia się fal sejsmicznych). Znając prędkość rozchodzenia się fal sejsmicznych można wnioskować o gęstości skał.

Odbicie sejsmiczne - zdefiniowanie granic pomiędzy warstwami o różnych gęstościach.

Na podstawie prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych kulę ziemską podziel ono na warstwy ( strefy - geosfery), w których prędkość rozchodzenia się fal jest różna, co wynika z ich odmiennych parametrów fizycznych i zróżnicowanego składu chemicznego poszczególnych warstw.

Nieciągłość - granica pomiędzy ośrodkami skalnymi różniącymi się prędkością rozchodzenia się fal sejsmicznych. Powierzchnie, na których skokowo zmienia się prędkość fal sejsmicznych określamy powierzchniami nieciągłości.

Granica płaszcz-jądro

Fale P wywołane trzęsieniami Ziemi obserwuje się do odległości 103^o od epicentrum i ponownie pojawiają się przy 143^o. Obszar, do którego fala P nie dociera-strefa cienia, powstaje na skutek załamania fal na jądrze Ziemi. Charakteryzuje ją refrakcja fal P. Ze względu, na to że fale S nie przechodzą przez jądro dostarcza dowodów na istnienie płynnej warstwy pod skalnym płaszczem.

Powierzchnie nieciągłości:

• Nieciągłość Conrada - nieciągłość w obrębie skorupy kontynentalnej, występująca między warstwą granitową a bazaltową.

• Nieciągłość Mohorovicica (Moho) - nieciągłość w obrębie litosfery znajdująca się między skorupą ziemską a płaszczem Ziemi, na głębokości 5-15 km pod oceanami i do 80 km pod kontynentami.

• Nieciągłość Golicyna - nieciągłość pomiędzy dolnym i górnym płaszczem Ziemi, na głębokośći ok. 400km.

• Nieciągłość Gutenberga - nieciągłość pomiędzy płaszczem Ziemi a jądrem Ziemi, znajdująca się na głębokości ok. 2900 km.

• Nieciągłość Lehmana - nieciągłość pomiędzy jądrem zewnętrznym w wewnętrznym, znajdująca się na głębokości ok. 5100 km.