Geodezja fizyczna

1. Dane są równania:
   a.
   

V-potencjał pola grawitacyjnego ziemi

G-stała grawitacyjna wyznaczona doświadczalnie ,zmienia się (maleje wraz z czasem)

Dm- nieskończenie mała masa punktowa

l-odległość dm od pkt dla którego obliczamy potencjał

$$$-całkowanie po całej objętości ziemi (dm=gdxdydz, g-gęstość)

b.

Wyjaśnij wszystkie zmienne i symbole występujące w obu wzorach oraz podaj ich źródło.

M-masa ziemi

r-odległosć pkt od środka ziemi

a-promień na równiku (promien a elipsoidy)

-Cnm, Snm-wspołczynniki kształtu ziemi wyznaczone z pomiarów satelitarnych (do n~100-120) i pomiarów grawimetrycznych. Sa to współczynniki stopnia n i rzedu m (m<=n znormalizowane)

-Pnm-stowarzyszone funkcje Legendrea stopnia n i rzędu m, znormalizowane. Można je uzyskać metodą Standard FCM

Λ-długośc geograficzna pkt

Ø-odległość biegunowa pkt

E-sumowanie od n=1 do nieskończoności i dla każdego n od m=0? Aktualnie znamy C,S do n=2180

2. Oblicz potencjał zakłócający wykorzystując dane i wzory:

Tp=E(a/r)ⁿ⁺¹ Tn

Tn=GM/r*E(ΔCcosmλ+ΔSsinmλ)Pnm(cosO)

r-obliczam na podstawie wspolrzednych pkt

GMa-dane

ΔC,S-róznice współrzędnych pola rzecz i normalnego

=S,C - dla n nieparzystych m rózne od 0

=S,C + Jn dla parzystego m=0

???????

3. Systemy wysokości.

Wysokośc ortometrzyczna (
) -mierzona wzdłuż linii pionu, wysokość pomiędzy pow ekwi. przechodzącą przez punkt P a pow ekwi. - geoidą
, gdzie C jest cechą geopotencjalną C=Wo-Wp

Wysokość geopotencjalna-

Wysokość Dynamiczna -
gdzie
to wartość przyspieszenia pola normalnego dla szerokości 45 stopni jest stałe

Wysokości Normalne(wysokość punktu Q ponad elipsoidą) -
, gdzie
to średnia wartość przyspieszenia normalnego i założenie Vo=Wo i Va=Wp

4. Omów rozwiązanie zagadnienia brzegowego Stokesa, Mołodenskiego .

???????

1. Scharakteryzuj podstawowe metody pomiaru przyspieszenia siły ciężkości wraz z ich podstawowym podziałem

Pomiary Grawimetryczne:

Metody:

a) dynamiczne-badanie ruchu ciał w polu siły ciężkości

- wahadłowe wykorzystujące zależność okresu wahań wahadła,długości ramienia i siły przyciągania

-balistyczne(m. swobodnego spadku) wykorzystują zależność drogi od czasu i przyspieszenia ciała poruszającego się w próżni gdzie vo prędkość początkowa

-strunowe wykorzystujące drgania poprzeczne naciągniętej, obciążonej metalowej taśmy lub nici

b) statyczne- dokładne równoważenie siły przyciągania z siła wzorcową.wykorzystuje się systemy sprężyn i nici

Rodzaje pomiarów:

a) bezwzględne(absolutne)- w ich wyniku otrzymuje się bezpośrednio wartość przyspieszenia w punkcie pomiarowym (m.balistyczne,m.wahadłowe)

b) różnicowe(względne) -pomiar różnic przyspieszenia pomiędzy dwoma punktami.

2. Wyjaśnij zasadę pomiarów względnych przyspieszenia siły ciężkości

POMIARY WZGLĘDNE (RÓZNICOWE)

Polega na pomiarze róznic przyśp pomiędzy dwoma pkt. Jeżeli znamy wartość przyśp g1 w P1 to przyśp g2 wyznaczamy jako:

G2=g1+Δg (Δg podlega pomiarowi)

Obecnie stosuje się intrumenty statyczne. Najczęściej grawimetry statyczne

GRAWIMETR STATYCZNY - siła ciężkości przeciwstawia sięsiła wzorcowądązącą do deformacji pewnego stanu statycznego, w jakim jest masa próbna

DZIAŁANIE : . siła F1=mg1 , odczyt , sprężyna do poziomu równowagi

Δl= l2-l1

Δg=k(l2-l1) Δg-różnica przyśp k-stała grawimetru

3. Co to jest dryft grawimetru i stała grawimetru

Dryft Grawimetru:

Zmiana odczytu grawimetru w czasie, trzeba wyznaczyć dryft liniowy

Rodzaje:

a) stacjonarny-zmiana odczytu graw. Na stabilnym podłożu i o stałej temp.

b) termiczny - zmiana odczytu graw. Ze względu na temp. otoczenia

STAŁA GRAWIMETRU k - współczynnik wyznaczany poprzez kalibrację grawimetru czyli wykonanie pomiaru róznicy przyśpieszeń na punktach, gdzie znamy tę róznicę (W bazach grawimetrycznych),

Stała k jest wartością zmienną (temp, ciśnienie, zakres pomiaru, wiek) dlatego zamiast stałej używa się równania grawimetru

K=Δg/Δh k=f(t,p,g,h)

(- stała grawimetru - współczynnik przez który należy przemnożyć różnicowy wynik pomiaru grawimetru, aby uzyskać wynik w układzie SI (czyli np. w miligalach)

- dryft grawimetru - zmiana odczytu związana z upływem czasu oraz z temperaturą)

6. Wyjaśnij pojęcia:
   Anomalia Bouguera
   Anomalia wolnopowietrzna
   Anomalia Faye
   Redukcja Poincarego-Preya

Anomalię grawimetryczną przyspieszenia siły ciężkości w teorii Stokesa wyraża się jako różnicę

zredukowanej wartości przyspieszenia na geoidzie g0 i normalnej wartości przyspieszenia γ0 odniesionego

do elipsoidy poziomowej (sferoidy ziemskiej), czyli

(1) Ag = g0 - γ0 = g + Rg - γ0

Sposób zastosowanej redukcji (czyli procesu przeniesienia przyspieszenia z powierzchni Ziemi na

geoidę) rzutuje oczywiście na rodzaj otrzymanej anomalii grawimetrycznej.

1. Anomalia wolnopowietrzna zgodnie z (1) wyraża się związkiem:

(2) Ag = g + Rwp - γ0,

gdzie Rwp to redukcja wolnopowietrzna.

Wielkość Rwp opisuje grawitacyjny wpływ wysokości punktu obserwacyjnego P na wynik pomiarów

grawimetrycznych. Wyraża ona zmianę przyspieszenia siły ciężkości w kierunku pionowym nie

uwzględniając faktu, że wzdłuż drogi redukcji między stanowiskiem P a powierzchną odniesienia (np.

geoidą) znajdują się masy skorupy ziemskiej. Interpretacja fizyczna redukcji wolnopowietrznej to

wgniecenie (przesunięcie ) mas poniżej poziomu odniesienia. Redukcja ta spełnia w znacznej mierze

postulaty teorii Stokesa, regularyzuje geoidę i tylko w małym stopniu ją deformuje. Redukcję

wolnopowietrzną można także, z nie wielkim błędem interpretować jako kondensację całej wystającej

ponad geoidą masy do masy rozciągniętej równomiernie na powierzchni geoidy o grubości dążącej do 0.

Anomalie wolnopowietrzne są powszechnie używane w badaniach figury Ziemi metodą

grawimetryczną. Do wyznaczania anomalii wolnopowietrznej w punktach, w których nie wykonano

obserwacji przyspieszenia siły ciężkości, stosuje się tzw. interpolację pośrednią lub predykcje anomalii.

2. Redukcja Bougera - redukcja której celem jest eliminacja przyspieszenia siły ciężkości

przyciągania mas zawartych w płycie pomiędzy poziomem odniesienia (geoidą) a poziomem stanowiska.

Jeśli punkt grawimetryczny P lezy na wysokości H ponad geoida w terenie płaskim, a średnia gęstość

podpowierzchniowych warstw skorupy ziemskiej wynosi σ, to można założyć, że masy te maja kształt

płaskiego walca kołowego. Redukcja Bougera jako wyrażenie wprowadzane do zaobserwowanego

przyspieszenia ziemskiego, różni się od przyciągania walca tylko znakiem czyli:

RgB = -2πGσH

Fizyczną interpretację redukcji Bougera przedstawia się jako usunięcie matematyczne tzw. płyty

bugerowskiej. Takie usunięcie sporej ilości mas spod punktu grawimetrycznego prowadzi do deformacji

geoidy. Redukcja Bougera nie nadaje się do badania figury Ziemi w myśl koncepcji Stokesa. Jednak

regularyzuje geoidę, usuwając masy o przyjętej gęstości znajdujące się ponad geoidą. W interpretacji

geofizycznej deformacja powierzchni odniesienia nie ma znaczenia, a usunięcie mas występujących nad powierzchnią odniesienia daje lepszy wgląda w wewnętrzną budowę skorupy ziemskiej. W badaniach geologicznych usuwa się zwykle przy użyciu redukcji Bougera tylko płytką przypowierzchniowa warstwę mas przyjmując przy tym inną niż geoida powierzchnię odniesienia.

W geodezji fizycznej używa się anomalii Bougera do interpolacji anomalii wolnopowietrznych lub anomalii Faye'a, gdyż zachodzi między nimi liniowa zależność:

AgF = AgB + cH,

gdzie c oznacza pewną stałą.

3. Redukcja Poincarégo - Preya - pozwala ona uzyskać matematycznie przyspieszenie ziemskie

na powierzchni odniesienia (geoidzie) bez zmian w położeniu mas podpowierzchniowych. Interpretacja tej operacji jest taka, że zredukowane przyspieszenie odpowiada ciężkości, jaka zostałaby zaobserwowana na geodzie, gdyby pomiar taki był możliwy.

Redukcja ta składa się z następujących etapów:

a. wygładzenie otoczenia punktu pomiarowego, czyli wprowadzenie poprawki terenowej do

przyspieszenia w punkcie na powierzchni Ziemi;

b. usunięcie grawitacyjnego wpływu mas zawartych między poziomem stanowiska a powierzchnią

odniesienia, do równoważne jest z wprowadzeniem redukcji Bougera

c. przesunięcie punktu pomiarowego na poziom odniesienia za pomocą redukcji wolnopowietrznej

d. przywrócenie usuniętego przyciągania mas, a więc uwzględnienie przyciągania tych mas w punkcie na powierzchni odniesienia; wpływ przyciągania mas jest równy redukcji Bougera

e. odtworzenie grawitacyjnego wpływu rzeźby terenu na przyspieszenie siły ciężkości w punkcie

położonym na powierzchni odniesienia; poprawka ta nie jest taka sama jak poprawka terenowa

uwzględniona na początku procesu redukcyjnego. Omawiana redukcja nie regularyzuje geoidy. nie może dlatego znaleźć bezpośredniego zastosowania w badaniach związanych z teoria Stokesa. Ma natomiast duże znaczenie w teorii niwelacji precyzyjnej przy opracowywaniu poprawek grawimetrycznych różnych systemach wysokości. Redukcja P-P stosowana jest przy opracowywaniu pomiarów grawimetrycznych wykonanych na morzu, w kopalni, w szybach wiertniczych itd. Dzięki niej można określić wartość pionowego gradientu przyspieszenia wewnątrz skorupy Ziemskiej.

4. Anomalia (oraz redukcja) Faye'a - a. oraz r. różniące się od wolnopowietrznych eliminacją

wpływu grawitacyjnego nierówności terenu wokół stanowiska, czyli wprowadzeniem grawimetrycznej poprawki terenowej. Zatem, anomalia grawimetryczna Faye'a jest zdefiniowana wzorem:

AgF = g + Δgter + Rwp - γ0.

Redukcja Faye'a lepiej regularyzuje geoidę I lepiej nadaje się do kondensacji mas w myśl koncepcji

Helmerta. W grawimetrii poszukiwawczej poprawki topograficzne sa wprowadzane do przyspieszenia siły ciężkości przed wykonaniem geofizycznej interpretacji anomalii Bougera.

7. Omów zagadnienie wyznaczania wysokości geoidy na podstawie podejścia Bjerhammara.

PODEJSCIE BJERHAMMARA

Mając dane anomaly Δg na fiz pow ziemi można je przenieść na sferę B za pomocą równania Poissona (Δg*) następnie sferę taką dzielimy na fragment Δs o znanych Δg* I stałych na całym fragmencie Δs.

Możemy wtedy zadanie całkowania zamienić na całkowanie numeryczne - musimy jednak uzależnić pow Δs od odległości od pkt P, pow im bliżej P tym powinny być mniejsze.

Δg_=A_* Δg_*

W zależności od ilości pkt o danych Δg I szukanych Δg* można wyróżnic 3 równania: okręslone, nadokreślone, niedookreślone)

Najczesciej układ niedookreślony gdyż liczba obserwacji Δg jest ograniczona a wyniki chcemy uzyskać dla całej ziemi.

Wtedy nakładamy warunek minima sumy kwadrawtów wyzn anomali

Δg_*=QAt(AtQAt)-1* Δg_

Mając obliczone Δg* możemy obliczyć odstęp N na podstawie teori sTockea korzystajać z całkowania numerycznego

N=St* Δg*

S-zależność pomiędzy wys geoidy a elem na sferze B.

StQAt- Cng

AtQAt- C gg

Wzór na kolokację bez trendu, jeśli CC przyjmujemy jako dane macierze kowariancji to równanie N będzie równaniem optymalnym z najmniejszą wariacją, rozwiązaniem względem N przy zadanych Δg.

8. Omów zasadę niwelacji astronomiczno-geodezyjnej.

Niwelacja astronomiczna zwana też niwelacją astronomiczno - geodezyjną, polega na całkowaniu względnych odchyleń pionu wzdłuż wybranego profilu geoidy. Z sytuacji przedstawionej na rysunku wynika, że punkt P jest tzw. punktem przyłożenia elipsoidy odniesienia do geoidy. Odchylenie pionu 0 ϑ wynosi tam zero. Odstęp geoidy także jest równy zeru N = 0. W punkcie P1, odległym od P o ds., rzut kąta odchylenia pionu na wertykał PP1 wynosi 1ϑ. Wobec tego odstęp dN, czylie przewyższenie punktu P1 nad punktem P wyraża się wzorem:

Znak minus uwzględnia kierunek wzrastania odstępu geoidy, przeciwny do kierunku wzrostu odległości między stacjami i znaku odchylenia pionu. Wysokość punktu Pn na profilu, leżąceo w odległości s od punktu przyłożenia P wyniesie:

Jest to podstawowy wzór niwelacji astronomicznej. wyraża ścisłą zależność między odstępem geoidy od elipsoidy a odchyleniem względnym pionu, określonym na geodzie. Całkowanie w powyższym wzorze można wykonać ws sposób analityczny tylko pod warunkiem że odchylenie pionuϑ jest stałe wzdłuż profilu geoidy lub gdyby zmieniało się według funkcji analitycznej. Praktycznie jednak odchylenie pionu zmienia się bardzo nieregularnie i dlatego całkowanie wykonywane jest numerycznie.

Geodynamika

1. Teoria tektoniki płyt - przyczyny i skutki migracji płyt, zachowanie względnie stałego promienia Ziemi, strefa Benioffa, granice zbieżne i rozbieżne, wybrane modele prędkości horyzontalnych

a)skutki

-kształtowanie się łańcuchów górskich

-trzęsienia Ziemi, tsunami, wybuchy wulkanów

- zmiany linii brzegowej (transgresje i regresje morskie)

- rozchodzenie się płyt skutkuje oddalaniem się od siebie lądów oraz powiększaniem oceanów

- subdukcja: rowy oceaniczne

b)przyczyny

-POZIOMY RUCH PŁYT :

Poziomy ruch płyt jest możliwy dzięki plastycznym właściwościom astenosfery , a wywołany jest prądami konwekcyjnymi materii w płaszczu Ziemi.

Prądy konwekcyjne to powolne przepływy plastyczne materii skalnej i skalno - magmowej w płaszczu Ziemi , oparte na mechanizmie konwekcji. Materia płaszcza, ogrzana w głębi (przez ciepło z rozpadu promieniotwórczego lub pochodzące z jądra Ziemi), wznosi się w pewnych miejscach do podstawy skorupy ziemskiej lub litosfery, po czym rozpływa się

równolegle do jej powierzchni i ochłodziwszy się ponownie zstępuje w głąb zamykając komórkę konwekcyjną. W miejscu gdzie strumień ciepła dociera do litosfery następuje jej osłabienie i pęknięcie (tworzy się ryft). Poziomo skierowane odcinki prądów konwekcyjnych powodują odsuwanie się od siebie fragmentów litosfery tworzących płyty.

-PIONOWE RUCHY LITOSFERY:

Są wywołane dąŜeniem mas skalnych do zachowania równowagi grawitacyjnej (izostazji). Skały o większej gęstości równowaŜone są przez większą objętość skał o mniejszej gęstości. Zachwianie równowagi izostatycznej prowadzi do pionowych ruchów skorupy ziemskiej, wypiętrzających lub obniŜających w celu uzyskania równowagi. Utrzymanie równowagi izostatycznej jest moŜliwe dzięki plastycznym właściwościom astenosfery.

Płyty litosfery (płyty tektoniczne) - największe jednostki podziału litosfery. Płyty litosfery graniczą ze sobą wzdłuż stref o wzmożonej sejsmiczności, same zachowują dużą spójność i sztywność.

a)płyty litosfery kontynentalne - płyta litosfery przypadająca w całości lub niemal w całości na obszar bloku kontynentalnego, a zatem zbudowana z litosfery kontynentalnej, np. płyta arabska

b)płyta litosfery oceaniczna - płyta litosfery przypadająca w całości lub niemal w całości na obszar oceanu a zatem zbudowana z litosfery oceanicznej, np. płyta pacyficzna, płyta Nazca

o płyty litosfery mieszane - obejmuje zarówno litosferę kontynentalną jak i oceaniczną Płyty litosfery wykonują ruchy poziome i pionowe.

Dryf kontynentów to poziome zmiany położenia kontynentów względem siebie oraz względem biegunów. Płyty tektoniczne powoli przemieszczają się po płynnych warstwach górnego płaszcza. Ruch ten wywołany jest prądami konwekcyjnymi, które występują we wnętrzu Ziemi. Na stykach płyt tworzą się strefy subdukcji (kolizja płyt litosfery) i strefy ryftowe(rozchodzenie się płyt litosfery), którym zawsze towarzyszą zjawiska wulkaniczne i trzęsienia ziemi.

Strefa ryftowa. Najczęściej powstaje ona na dnie oceanu - tam litosfera jest cieńsza i łatwiej ulega rozrywaniu. Rzadziej zdarza się to na lądach - jednym z nielicznych przykładów może być Wielki Rów Afrykański. Poprzez ryfty z płaszcza Ziemi wydobywa się lawa (magma), tworząc nowe, młodsze skały. W ten sposób pod postacią grzbietów oceanicznych powstają strefy rozrostu dna morskiego. Rozchodzenie się płyt skutkuje oddalaniem się od siebie lądów oraz powiększaniem oceanów.

SUBDUKCJA - gdy dwie płyty litosfery zachodzą na siebie, jedna podsuwa się pod drugą, srefy subdukcji są jednym z rodzajów granic zbieŜnych (konwergentnych, kolizyjnych) płyt litosfery, moŜliwa jest subdukcja typu:

- płyta oceaniczna pod oceaniczną - srefę kolizji wyznacza głębokomorski rów oceaniczny.

W pewnej odległości od strefy powstaje orogen kolizyjny, w którym dochodzi do silnego sfałdowania osadów zdzieranych płyty oceanicznej, występuje intensywny wulkanizm oraz liczne trzęsienia ziemi

- płyta oceaniczna pod kontynentalną - subdukcja związana jest z wytworzeniem się łuków wyspowych i basenu marginalnego (załukowego), posiadający skorupę oceaniczną. Strefę kolizji podobnie jak w typie andyjskim wyznacza rów oceaniczny. Tak samo obszar ten harakteryzuje się duŜą aktywnością wulkaniczną i sejsmiczną. Strefa kolizji jest oddalona od kontynentu - za łukiem wysp, który jest zbudowany wyłącznie ze skał wulkanicznych, lub jak w przypadku Japonii jest oderwanym fragmentem kontynentu azjatyckiego, znajduje się strefa rozciągania, zbudowana wyłącznie ze skorupy oceanicznej.

- płyta kontynentalna pod kontynentalną - jednocześnie następuje kolizja dwóch łuków wyspowych, względnie łuku wyspowego i podmorskiego grzbietu. Występują mocne trzęsienia ziemi, brak natomiast wulkanów.

EWOLUCJA ZIEMI (TEORIE):

Teoria tektoniki płyt litosfery Siłą napędową ruchu płyt litosfery jest naturalne ciepło, wydobywające się z wnętrza Ziemi. W płaszczu, stale podgrzewanym od spodu i chłodzonym od góry w kontakcie ze skorupą ziemską, dochodzi do powstania gigantycznych prądów konwekcyjnych. Ponad prądami wznoszącymi dochodzi do częściowego stopienia skał i rozrywania skorupy, czego wynikiem jest powstanie ryftu. Przejawem oddziaływania prądów zstępujących są strefy subdukcji, gdzie zachodzi wchłanianie i niszczenie skorupy ziemskiej.

Teoria ekspansji Ziemi
Ruch kontynentów jest pozorny i wynika ze stopniowego powiększania się Ziemi. W miejscach pęknięć dochodzi do wylewów lawy, która zastyga, tworząc nową skorupę. Zjawisko subdukcji nie istnieje, choć skorupa oceaniczna ulega niszczeniu w wyniku pękania na wielkie bloki i tonięcia w rozgrzanym, rozrzedzonym płaszczu. Góry mogą powstawać w wyniku dostosowywania sztywnej skorupy kontynentalnej do malejącej krzywizny globu albo okresowego wypiętrzania niektórych rejonów skorupy kontynentalnej ponad strumieniami gorącej materii napływającej z głębi Ziemi. -Teoria ta zakłada, że od 200 mln lat (wiek najstarszej skorupy oceanicznej) Ziemia stopniowo się powiększa. Poziome ruchy kontynentów są więc pozorne i wynikają z rozrastania się między nimi młodej skorupy oceanicznej (wzdłuż ryftów). Rośnie odległość pomiędzy kontynentami i ryftami, zaś odległości kątowe pomiędzy tymi strukturami pozostają mniej więcej stałe. W ten sposób sąsiadowanie ze sobą kilku ryftów przestaje być niewytłumaczalnym paradoksem.

* By zdobyć większą popularność wśród naukowców, teoria ekspansji Ziemi musi poradzić sobie z kilkoma poważnymi problemami. Na przykład z problemem wody oceanicznej. Jeżeli Ziemia miałaby w przeszłości znacznie mniejszy promień, oceany musiałyby mieć średnią głębokość około 6 km, a tego w żadnym razie nie potwierdzają dane geologiczne. By uniknąć takiego wniosku, trzeba by założyć, że w owym czasie na powierzchni naszej planety było dużo mniej wody.

* Są niejakie podstawy do takiego rozumowania - ziemski płaszcz cały czas ulega tzw. odgazowaniu, czyli "poci się", uwalniając nagromadzone w magmie lotne substancje. Świadectwem tego procesu są wypływy silnie zmineralizowanych, gorących wód w osiach ryftów oraz duże ilości pary wodnej wydobywające się z kraterów czynnych wulkanów. Wydajność tego procesu szacuje się na kilka km3 wody rocznie. Jeśli zaniedbać jej utratę (ucieczka w kosmos, reakcje chemiczne), w tym tempie dzisiejsze oceany mogłyby powstać w niespełna 2 mln lat - a jest to chwila w geologicznej skali czasu.

* Inny, poważniejszy zarzut wobec teorii ekspansji dotyczy istnienia na Ziemi struktur uważanych za kompresyjne (powstające w wyniku napierania na siebie różnych obszarów). W szczególności chodzi tu o pasma górskie i rejony rowów oceanicznych. Przeciwnicy tej teorii uważają, że kompresja nie może mieć miejsca w warunkach globalnego rozciągania. Zwolenicy ekspansji Ziemi próbują odeprzeć ten zarzut, mówiąc, że pasma górskie mogą być skutkiem dostosowywania się sztywnej skorupy kontynentalnej do malejącej krzywizny globu ziemskiego (wyginana płyta litosfery "marszczy" się na powierzchni). Albo że są one wynikiem zsuwania się grubych warstw skalnych z obszarów wydźwigniętych przez wznoszący się diapir (strumień gorącej materii napływającej z głębi Ziemi.

* Również destrukcja płyt oceanicznych w rejonach rowów oceanicznych zachodzić ma ponad diapirami wskutek pękania sztywnej litosfery i tonięcia kolejnych jej fragmentów w rozgrzanym i rozrzedzonym przez siły rozciągające płaszczu. Taka interpretacja wyjaśnia, dlaczego w ogóle możliwe jest tonięcie względnie lekkich skał skorupy ziemskiej w mającym wyższą gęstość płaszczu, ale wielu geologom wydaje się zbyt fantastyczna, by można ją było zaakceptować.

Teoria ekspandującej Ziemi jest alternatywną dla teorii tektoniki płyt teorią geotektoniczną, traktującą o rozwoju Ziemi. Wyjaśnia ona wyraźne sprzeczności między teorią tektoniki płyt a starszą hipotezą pomostową.

Początkiem teorii ekspandującej Ziemi było odkrycie SPREADINGU- powstawania nowej skorupy ziemskiej typu oceanicznego. Skoro powstaje ogromna ilość nowej skorupy ziemskiej, a równocześnie nie możemy wskazać, że istnieją miejsca, gdzie stara skorupa jest niszczona na podobną skalę, nasuwa się wniosek, że cała powierzchnia Ziemi musi się powiększać, a zatem zwiększa się też jej promień. Wyniki obliczeń przyrostu skorupy oceanicznej wykazują, że przyrost promienia Ziemi wynosi obecnie ok. 2,6 cm w skali roku. Początkowo była ona wielkości obecnego Merkurego. Powstałe wskutek powiększania się Ziemi oceany wypełniły wody juwenilne - powstałe z magmy. Duże ilości zmineralizowanych, gorących wód tryskających spod dna oceanu odkryto w obrębie grzbietu śródatlantyckiego oraz w Morzu Czerwonym. Powiększanie się Ziemi wiąże się ze wzrostem masy Ziemi, rocznie odpowiadającym sześciennej kostce granitu o boku ok 26 km.

* Przyczyna ekspansji nie jest przez tę teorię wyjaśniona, oprócz stwierdzenia, że przyczyna znajduje się w jądrze Ziemi. Brak wyjaśnienia przyczyn ekspansji jest głównym celem ataków jej przeciwników, choć ani Kopernik, ani Kepler nie umieli wyjaśnić przyczyn ruchu planet, a przecież ich teorie okazały się prawdziwe. Na gruncie nauk geologicznych podobny był los teorii Wegenera, która została odrzucona ze względu na błędne wyjaśnienie przyczyn oddalania się Ameryki od Europy i Afryki, a obecnie podstawowe jej założenia są rozwijane przez teorię wędrówki płyt litosfery oraz teorię ekspandującej Ziemi.

2. Izostazja-wyjaśnić zjawisko, modele, skutki i zasięg

Izostazja - zjawisko, modele, skutki

a)zjawisko

Izostazja - równowaga pomiędzy różnymi wycinkami skorupy ziemskiej; dążenie do równowagi mas skalnych w litosferze. Na istnienie tej równowagi wskazuje rozkład anomalii grawimetrycznych: nad oceanami, mimo małej gęstości wód oceanicznych, stwierdza się tylko anomalie dodatnie, a na kontynentach, zwł. na obszarach górskich i wyżynnych — anomalie ujemne (mimo dodatkowego przyciągania mas skalnych leżących n.p.m.).

Bloki stosunkowo sztywnej i lekkiej litosfery "pływają" po plastycznej astenosferze - obciążone zanurzają się głębiej, odciążone unoszą się wyżej (np. Skandynawia po ustąpieniu lądolodu). Unoszenie/zanurzanie się płyt litosfery nazywamy pionowymi ruchami litosfery (ruchy izostatyczne). Mogą one np. doprowadzać do transgresji i regresji morskich.

Glaciizostazja - szczególny przypadek izostazji, w którym równowaga mas w skorupie ziemskiej zostaje zakłócona przez rozrost lądolodów. Obciążenie przez masy lodowe powoduje pogrążenie fragmentu skorupy, natomiast po stopieniu lodów przywrócenie równowagi dokonuje się przez wypiętrzenie. Powrót do równowagi jest zjawiskiem dość szybkim (w obszarach objętych ostatnim zlodowaceniem została ona osiągnięta po około 5 tys. lat), ale początkowo wypiętrzenie jest wolniejsze niż wzrost poziomu morza, stąd duże obszary lądowe ulegają krótkotrwałemu zatopieniu. Fakt późniejszego wydźwignięcia linii brzegowych i teras morskich, których wiek jest możliwy do określenia (datowania), umożliwia dość precyzyjne określenia tempa ruchów glaciizostatycznych.

Dobrym przykładem ilustrującym to zjawisko jest Islandia która stopniowo podnosi się od czasu stopnienia pokrywającego ją niegdyś lądolodu. Co potwierdza słuszność obecnie teraz ponoć stosowanej teorii Airy'ego według której łatwiej wyjaśnić powstawanie gór w obrębie obszarów kontynentalnych. Czyli krótko obciążenie lądolodem powoduje zanurzenie a odciążenie topniejącym i towarzyszące temu zerodowanie powierzchni skutkuje podniesieniem.'

b)modele

1)Według J.H. Pratta (1854) izostazja jest uwarunkowana róŜną gęstością poszczególnych bloków skorupy ziemskiej: pod kontynentami występuje materiał o mniejszej gęstości, niŜ pod dnem oceanicznym; na pewnej głębokości (zw. głębokością kompensacji) ciśnienie jest jednakowe zarówno pod kontynentem, jak i pod dnem oceanicznym.

2)Według G. Airy'ego (1855) poszczególne bloki skorupy ziemskiej zanurzone w materiale płaszcza Ziemi mają tę samą gęstość lecz różną grubość, przy czym im blok jest grubszy, tym głębiej jest zanurzony. Odciążenie lub obciążenie części skorupy ziemskiej prowadzi do zaburzenia izostazji, a wskutek dążenia skorupy ziemskiej do osiągnięcia stanu równowagi powoduje pionowe ruchy skorupy ziemskiej (tzw. Ruchy izostatyczne)

c)skutki

-pionowe przemieszczanie się fragmentów litosfery

-zmiany linii brzegowej (transgresje i regresje morskie)

-zmiany bazy erozyjnej rzek itp.

3. Budowa wnętrza Ziemi

Budowa wnętrza Ziemi

Skorupa ziemska- zewnętrzną powłoką Ziemi, podział: na skorupę kontynentalną i oceaniczną. Jej dolną granicą jest nieciągłość Moho, znajdująca się na głębokości około 50-60 km. Pomiędzy powierzchnią Ziemi a powierzchnią Moho znajduje się pow.Conrada, w niektórych rejonach Świata w ogóle nie występuje.

Płaszcz Ziemi- Sięga on do głębokości około 2900 km. Ciśnienie dolnej warstwy płaszcza wynosi ok. 140 GPa. Płaszcz zbudowany jest głownie z substancji bogatych w żelazo i magnez.

Płaszcz zewnętrzny

Płaszcz górny zbudowany jest z: chrom (Cr), żelazo (Fe), krzem (Si) i magnez (Mg) (tzw. crofesima). Średnia gęstość tej sfery wynosi 4,0 g/cm3. Górna część zewnętrznego płaszcza ma od 80 do 150 km głębokości. Jest to już warstwa o cechach plastycznych. To na niej porusza się skorupa ziemska i to w tej warstwie zachodzą wszystkie procesy tektoniczne.

Płaszcz wewnętrzny

Płaszcz dolny zbudowany jest z niklu (Ni), żelaza (Fe), krzemu (Si) i magnezu (Mg). Średnia gęstość płaszcza wewnętrznego waha się w granicach 5,0 - 6,6 g/cm3. W płaszczu Ziemi zachodzą ruchy konwekcyjne, polegające na powolnym przemieszczaniu się w górę plastycznych mas materii. Zjawisko to zachodzi pod wpływem ciepła.

Jądro Podział jądra ziemskiego obejmuje stałe jądro o promieniu ok. 1250 km i płynne jądro zewnętrzne sięgające promienia ok. 3500 km. Jądro wewnętrzne składa się głownie z żelaza z domieszką niklu. Jądro zewnętrzne otacza jądro wewnętrzne i składa się z ciekłego żelaza domieszkowanego ciekłym niklem i śladowymi ilościami pierwiastków lekkich.

Jądro zewnętrzne- na głębokości 5100 km; gęstość: 9,4-10,6 gm/cm3; temp.: 4500 stC; Prędkość fal poprzecznych: 8,0

Jądro wewnętrzne- na głębokości 6370 km; gęstość: 11,5-14,0 gm/cm3; temp.: 6100 stC; Prędkość fal poprzecznych: 10,4

4. Ruch obiegowy i wirowy Ziemi a zjawiska pływowe

OBIEGOWEGO

-występowanie stref oświetlenia: strefy międzyzwrotnikowej, dwóch stref umiarkowanych szerokości geograficznych, dwóch stref podbiegunowych, czyli polarnych; w strefie międzyzwrotnikowej Słońce może górować w zenicie (raz w roku - na zwrotnikach; dwa razy na rok gdzie indziej); w strefach polarnych Słońce może być widoczne ponad 24 godziny (dni polarne), 
-występowanie pór roku, gdyż te same miejsca na Ziemi otrzymują w ciągu roku zmienną ilość ciepła i światła, 
-zmiany w ciągu roku wysokości Słońca nad horyzontem w momencie górowania, 
-zmienna długość dnia i nocy w ciągu roku, 
-zmienne w ciągu roku punkty wschodu i zachodu Słońca na horyzoncie 
-występowanie stref klimatycznych i podporządkowanych im stref roślinnych i glebowych, 
-zmieniające się w ciągu roku widoczne gwiazdy (stąd gwiazdozbiory letnie i zimowe). 

-roczne zmiany temperatury powietrza

WIROWEGO (OBROTOWEGO)

polega na wykonaniu jednego pełnego obrotu planety wokół własnej osi, który trwa 23 godzin 56 minut oraz 4,1 sekundy. Jego kierunek jest odwrotny do kierunku ruchu wskazówek zegara.

Jego następstwami są następujące zjawiska:

-występowanie pór dnia (noc i dzień),

-pozorna wędrówka Słońca po sklepieniu niebieskim,

-odchylenie w prawo na półkuli północnej i w lewo na półkuli południowej toru swobodnie spadających ciał,

-odchylenia kierunku płynięcia prądów morskich,

-odchylenia kierunku stałych wiatrów - pasatów.

-spłaszczenie kuli ziemskiej na biegunach, przez co Ziemia ma kształt geoidy,

-Na podstawie dobowej zmiany oświetlenia półkuli wschodniej i zachodniej, wprowadzono rachubę czasu

=czas strefowy - jest to czas ustalana dla poszczególnych stref w zależności od odległości od południka 0°,

=czas uniwersalny (UT) - czas południka 0°,

=czas urzędowy - ustalony dla danego obszaru, np. dla terytorium danego państwa.

- Prędkość liniowa na zmiennej szerokości geograficznej jest różna, maksymalna prędkość jest na równiku a zerowa prędkość na 2 biegunach. Natomiast szybkość kątowa może być ta sama w każdym miejscu poza biegunami.

5. Plamy gorąca

Plama gorąca (punkt gorąca, pióropusz gorąca) - przejaw wulkanizmu nie związanego z obecnością granic płyt litosfery , wynikający z obecności w górnym płaszczu stref o anormalnie wysokiej temperaturze , ale o niewielkim zasięgu, tzw. pióropusza płaszcza . Powoduje to przetapianie wyżejległej skorupy , generowanie ognisk magmy i powstawanie wulkanu . Przykładem takiej aktywności plamy gorąca jest łańcuch Hawajów , stanowiących kulminację Grzbietu Hawajskiego . Jego kontynuacją jest Grzbiet Cesarski. Powstanie tych form wiąże się z przesuwaniem się płyty pacyficznej ponad stale aktywną plamą gorąca. Widoczne na mapach załamanie pomiędzy obu grzbietami wskazuje na to, że około 43 mln lat temu płyta pacyficzna zmieniła kierunek ruchu.

Transport gorącej materii płaszcza w pobliże powierzchni odbywa się nie tylko dzięki prądom konwekcyjnym pod strefami ryftów. Przypuszcza się, że istnieją też ogromne „kominy” gorącej, lekkiej materii mające swój początek aż na granicy płaszcza z jądrem, a sięgające przez cały płaszcz do astenosfery. Są to tzw. pióropusze płaszcza - mają one średnice do kilkuset km, a gorąca materia unosi się w nich ku górze z dużą szybkością (być może nawet do 2 m/rok), po czym promieniście rozprzestrzenia się w astenosferze, podgrzewając ją i podnosząc jej górną granicę. Przez to nad pióropuszami płaszcza litosfera ulega unoszeniu i jednoczesnemu cienieniu. Na powierzchni Ziemi powstaje wtedy plama gorąca - bardzo łagodna kopuła o średnicy od kilkuset do 1500 km, wyniesiona o 1-2 km, o wyraźnie podwyższonym strumieniu cieplnym i cieńszej litosferze. Często, lecz nie zawsze, towarzyszy jej wulkanizm.

Plamy gorąca występują na granicach płyt i wewnątrz nich - zarówno pod litosferą oceaniczną, jak i kontynentalną. Są dość stabilne (przemieszczają się najwyżej 1-2 cm/rok), a więc to płyty litosfery przesuwają się nad nimi. Powoduje to obserwowane czasami przemieszczanie się przejawów wulkanizmu, a nawet pozwala stwierdzić zmianę kierunku ruchu płyty, jak np. w łańcuchu Wysp Hawajskich, których nieaktywne dziś wulkanicznie przedłużenie ku NW, a potem ku N odzwierciedla ruch płyty pacyficznej na odcinku ok. 5000 km (najpierw ku N, a potem ku NW) w ciągu ostatnich 60 mln lat.

6. Tomografia sejsmiczna-metody i efekty badań, analiza zjawisk naturalnych i indukowanych, cień sejsmiczny

Fale sejsmiczne powstają do 900 km w głąb Ziemi w hipocentrum albo mogą być wywoływane sztucznie.

Dzielimy je na podłużne (najszybsze, przechodzą przez wszystkie stany skupienia), poprzeczne i oscylacyjne (przypowierzchniowe).

Tomografia sejsmiczna - zespół metod obrazowania struktur znajdujących się wewnątrz Ziemi na podstawie pomiaru fal sejsmicznych (akustycznych lub elastycznych). Fale przechodzące lub odbite od granic pomiędzy ośrodkami o różnych właściwościach fizycznych rejestrowane są na powierzchni. Na podstawie takich pomiarów odtwarzana jest struktura wnętrza Ziemi.

Wnętrze Ziemi bada się metodami pośrednimi, głównie metodą sejsmiczną (śledzenie rozchodzenia się fal sejsmicznych). Fale sejsmiczne zmieniają szybkość i kierunek rozchodzenia się w zależności od temperatury, ciśnienia, stanu skupienia i gęstości materii. Na tej podstawie wydzielono we wnętrzu Ziemi trzy koncentryczne warstwy zwane geosferami: skorupę ziemską (litosfera), płaszcz Ziemi i jądro Ziemi (barysfera). Geosfery są od siebie oddzielone wąskimi strefami przejściowymi - powierzchniami nieciągłości, w których fale sejsmiczne ulegają częściowemu załamaniu lub odbiciu i gwałtownej zmianie prędkości ze względu na różny skład chemiczny lub zmianę stanu skupienia danej sfery.

7. Pacyficzny krąg ognia

Pacyficzny pierścień ognia - strefa częstych trzęsień ziemi i erupcji wulkanicznych, która otacza Ocean Spokojny. Obejmuje nieomal ciągły pas rowów oceanicznych oraz wulkanicznych łańcuchów górskich. Nazywany jest także okołopacyficznym pasem sejsmicznym. Ocenia się, że zdarza się tutaj około 81% większych trzęsień ziemi, występuje tam 90% wszystkich czynnych wulkanów.

8. Wykorzystanie badań paleomagnetycznych w rekonstrukcji ruchu makrostruktur tektonicznych i biegunów

Paleomagnetyzm - magnetyczne właściwości każdej skały ziemskiej zawierającej minerały ferromagnetyczne. W trakcie powstawania skał (wylewnych lub osadowych) utrwala się ziemskie pole magnetyczne istniejące w danym momencie - azymut i polaryzacja bieguna magnetycznego. Dzięki badaniom paleomagnetycznym określa się miejsce i czas powstawania skał. W historii Ziemi wyróżnia się epoki paleomagnetyczne (rys.) o normalnej i odwróconej polarności biegunów magnetycznych. Dzięki paleomagnetyzmowi udowodniono różne rozmieszczenie w przeszłości geologicznej lądów i mórz - wędrówkę kontynentów i bieguna magnetycznego Ziemi.

Przebiegunowanie Ziemi to proces w którym następuje odwrócenie kierunku ziemskiego pola magnetycznego, czyli zamiana magnetycznego bieguna północnego z południowym.Każda taka zmiana zapisana jest w skałach. Np. podczas stygnięcia lawy bądź magmy minerały ferromagnetyczne które wykrystalizują jako pierwsze układają się zgodnie z liniami sił aktualnego pola magnetycznego.

Epoki paleomagnetyczne widoczne są na dnie oceanów

---