Litosféra a zemská kůra

Transkript

1 Litosféra a zemská kůra

2 Zemská kůra je pouze částí litosféry!!!

3 Pohyb konvekčních proudů v zemském plášti Pohyb litosféry

4 Zemská kůra není jednolitá deska

5 Tektonické desky - kontinentální drift Hnací silou pohybu desek zřejmě subdukce

6

7 Relativní zastoupení prvků na Zemi v zemské kůře vápník 1% hořčík 13% hliník 1% křemík 15% nikl 2% síra 2% ostatní 1% železo 35% hořčík 4% hliník 8% vápník 3% sodík 2% křemík 28% draslík 2% ostatní 1% kyslik 46% železo 6% kyslik 30%

8 Složení zemské kůry V současné kůře převažují křemičitanové minerály, které se vznáší na těžším plášti a jádře Geologický profil zemského povrchu. Na kontinentech dominují granity, kyselé vyvřeliny s velkým podílem Al a Si (žulová vrstva). V oceánské kůře převažují bazické vyvřeliny s převahou Si a Mg (čedičová vrstva). Kyselé i bazické vyvřeliny mají nižší objemovou hmotnost než vnější zemský plášť, který obsahuje hlavně ultrabazické vyvřeliny, jejichž charakteristickým zástupcem je olivín (podle Howard a Mitchell 1985)

9 Vztah mezi křemičitanovými a uhličitanovými cykly na povrchu Země Dlouhodobé řízení atmosférického CO 2 je dosaženo rozpouštěním CO 2 v povrchových vodách a podílem na zvětrávání hornin. C se dostává do oceánů jako HCO - 3 a je zahrabán jako část uhličitanových usazenin v oceánské kůře. CO 2 je uvolněno zpět do atmosféry, když jsou tyto horniny metamorfovány (přeměněny) při vysokých teplotách a tlaku v hlubinách Země. 1 cyklus = mil. let

10 Celkový cyklus hornin Zvětrávání a eroze vyzdvižení Usazování v oceánech sedimenty Vyvřelé horniny Tlak & teplota vyzdvižení vyzdvižení sedimenty Převrstvování a cementace tuhnutí Magma tání Metamorf. horniny Tlak & teplota

11 Posloupnost vzniku,snižování teploty stabilita zvětratelnost + + Posloupnost vzniku vyvřelých minerálů v průběhu ochlazování a krystalizace magmatické taveniny (lávy) Bowenova reakční řada tmavé světlé olivín pyroxen amfibol biotit K živec Ca plagioklas muskovit křemen Na plagioklas Ultrabazické magmatity bazické magmatity Neutrální magmatity Kyselé magmatity Granity = žuly (obsah draselných živců, kyselých plagioklasů a křemene)

12 Zvětrávání hornin - vznik půdotvorného substrátu a půdy mechanické - mechanické změny, rozpad, změny velikosti, ale ne ve složení (vede k erozi) zvýšení specifického povrchu zvětší se reaktivita částic vzniknou cesty pro vodu chemické působením vody a kyselin se uvolňují ionty, které jsou dostupné pro rostliny nebo jsou odnášeny vodou biologické Rychlost zvětrávání závisí na chemickém složení hornin, teplotě, srážkách Typy zvětrávání většinou probíhají společně, jejich podíl záleží na oblasti polární - chybí cirkulující voda hlavně mechanické tropické - intenzivní chemický rozklad hornin (až 200 m)

13 vliv mechanického zvětrávání

14

15 vliv biologického zvětrávání Source: Runk/Schoenberger/Grant Heilman

16

17 základní reakce chemického zvětrávání Rozpouštění CO 2 ve vodě H 2 CO 3 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Zvětrávání karbonátových hornin (např. vápenců), CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ===> Ca(HCO 3 ) 2 Oxidace Chemické reakce při kterých látky ztrácejí elektrony Důležité při rozkladu mafických minerálů (= tmavé minerály bohaté Fe a Mg; slídy, amfiboly, pyroxeny, olivín)

18 Oxidace silikátů (Rezavé zabarvení bazických magmatitů)

19 oxidace sulfidických rud (pyrit na hnědel) 2FeS 2 + 7O 2 + 2H 2 O ===> 2FeSO 4 + 2H 2 SO 4 4FeSO 4 + O H 2 O ===> 4Fe(OH) 3 + 4H 2 SO 4 Obr: oxidace pyritu (FeS 2 ) na hnědel (limonity, Fe 2 O 3. xh 2 O; směs oxidů a hydroxidů železa)

20 Karbonatizace křemičitanových hornin Feldspar= živec Limestone = vápenec

21 Hydrolýza H + a OH - Reakce látek s vodou Ionty vody zamění různé ionty v minerálu Př. Křemičité horniny se mění na jílové minerály Hydrolýza silikátů H+ + Na[AlSi 3 O 8 ] + 7H 2 O ===> Al(OH) 3 + Na+ + 3H 4 SiO 4 Mineralizace organických sedimentů CH 2 O + O 2 CO 2 + H 2 O Chemická sedimentace Ukládání minerálů z roztoků, které obsahují převážně produkty zvětrávání. Ca(HCO 3 ) 2 ===> CaCO 3 + CO 2 + H 2 O

22 vápenec Biotransformace organismy produkují tzv. biogenní minerály, které se stávají součástí jejich organismu. karbonáty vápníku (kalcit, aragonit), fosforečnany vápníku (apatit, francolit) vodnatý oxid křemičitý (opál). Biogenní magnetit (redukcí Fe) nebo sulfidy Fe stromatolity Biogenní magnetit Fosforečnan vápenatý a oxalat vapenatý

23 Zvětrávání hornin obsahujících fosfor (apatity a fosfority) Apatit: vyvřelá hornina, tvoří se také v hydrotermálních praenech Fosfority: usazeniny biogenního původu Primární fosforečnany (apatit) Biogenní původ (fosforit) Ca 5 (PO 4 ) 3 OH + 4 H 2 CO 3 ===> 5 Ca HPO HCO H 2 O Vazba/dostupnost uvolněné k. fosforečné závisí na podmínkách prostředí (viz půda)

24 Zvětráváním se uvolňují živiny do roztoku a vznikají sekundární minerály 1. Zvětrávání a uvolňování prvků do povrchových vod v ekosystémech na silikátových horninách: Ca>Na>Mg>K>Si>Fe>Al Snižující se koncentrace 2. Pohylivost iontů: Na +1 a K +1 > Mg +2 a Ca +2 > Al +3 a Fe +3

25 Chemické zvětrávání vede k: Destrukci primárních hornin a minerálů Tvorbě křemičitanového písku, který se hromadí v půdě Tvorbě sekundárních minerálů jílů/sesquioxidů (obsah hlavně Al a Fe, ale také Si 4+, Ca 2+,Mg 2+, někdy i K +, Na + v závislosti na zvětrávání) Ochuzování o Si 4+, Ca 2+, Mg 2+, někdy i K +, Na + v závislosti na zvětrávání Vymývání HCO 3 - do spodních vod tvorbě vápenatých konkrecí v suchém podnebí Tvorba roztoku H 2 SO 4 a oxidů Fe při zvětrávání pyritu

26 Hlavní faktory ovlivňující zvětrávání Rychlost zvětrávání pomalé rychlé vlastnosti matečné horniny rozpusnost minerálů ve vodě malá střední velká struktura horniny neporušená malé trhliny rozdrobená podnebí srážky nízké střední vysoké teplota nízká střední vysoká přítomnost/nepřítomnost půdy a vegetace mocnost půdy hornina malá velká obsah organické hmoty nízký střední vysoký doba expozice krátká střední dlouhá

27 Vliv klimatu na zvětrávání

28 Shrnutí Zemská kůra není jednolitá deska - pohyb zemských ker Zemská kůra složena z lehkých křemičitanů, na pevnině více zvětralé (lehčí a kyselejší) Zvětratelnost křemičitanů závisí na teplotě jejich tuhnutí Hlavní faktory zvětrávání jsou vlastnosti matečné horniny, podnebí, čas, přítomnost půdy a vegetace Zvětráváním se uvolňují kationty z křemičitanové krystalové mřížky v závislosti na jejich pohyblivosti Sekundární křemičitany jsou důležitou součástí půd, v průběhu zvětrávání se v nich hromadí Fe a Al.

29 Půda

30 atmosféra biosféra PEDOSFÉRA litosféra hydrosféra Složení půdy

31 Voda, mráz teplota srážky vítr abraze Tvorba půdy Rostliny, živočichové mikroorganismy Matečná hornina Půdotvorný substrát půdní organická hmota rozpuštěné minerální látky písek a prachové částice Jilové minerály voda, kyseliny sesquioxidy

32 roky O A B Hloubka C Matečná hornina Akumulace organické hmoty v půdě < 0,2 % OH 10-0,2 % OH % OH > 80 % OH

33 Půdní profil O horizont organický horizont složený hlavně z rostlinného opadu v různých stupních rozkladu, je dobře rozeznatelná struktura jednotlivých úlomků organické hmoty. A horizont povrchový složený z rozloženého, amorfního organického materiálu, který je promíchán s minerálními částicemi, má tmavé zabarvení. Z tohoto horizontu bývají organické látky vymývány do spodních vrstev. B horizont - minerální horizont, chudší na organickou hmotu, světlejší než A horizont. V podzolech se mezi A horizontem a B horizontem tvoří eluviální E horizont, ze kterého dochází k vymývání organické hmoty a kationtů, které se pak hromadí ve svrchní části B horizontu. E horizont je světle šedý. C horizont- částečně zvětralá hornina, skeletovitý. matečná hornina Matečná hornina ovlivňuje půdní texturu (na horninách s vysokým obsahem křemene vznikají písčité půdy), a chemické složení půdního roztoku.

34 Vznik jílových (sekundárních) minerálů z primárních křemičitanů (zjednodušené schéma) Vysoký obsah K ortoklas muskovit slídy Primární křemičitany biotit živce amfibol aj. Vysoký obsah Mg, Ca, na, Fe malé ztráty K Pomalý úbytek bází Rychlý úbytek bází Suché a studené podnebí illit chlorit montmorilonit vermikulit Podnebí mírného pásu Záporný náboj na povrchu Velmi slabý, až střídavý náboj na povrchu v závislosti na ph střídavý náboj na povrchu v závislosti na ph Úbytek bází Intenzivní zvětrávání kaolinit ztráty Si 4+ Teplé a vlhké podnebí sesquioxid

35 montmorilonit, illit 20µm kaolinit chlorit 100µm 100µm

36 Botnání (smršťování) jílu

37 Kationtová/aniontová výměnná kapacita Jílové minerály většinou negativní náboj podobnou roli i organická hmota přitahují kationty, Obecné pravidlo výměny aniontů: PO 4 3- > SO 4 2- > Cl - > NO 3 - Snižující se pevnost vazby Obecné pravidlo výměny kationtů: Al 3+ > H + > Ca 2+ >Mg 2+ > K + > NH 4 + > Na + Snižující se pevnost vazby

38 Závislost dostupnosti P na ph půdy 100 Relativně dostupné fosfáty zastoupení (%) 50 Fixace hydroxidy Fe, Al a Mg Fixace především jako fosfáty Ca 0 Chemická fixace rozpustnými Fe, Al a Mg ph půdy

39 Vliv topografie na rozvoj půd

40 rovník Roční srážky Teplota Rovníkové a tropické deštné lesy savany Poště a polopouště louky (stepi) Temperátní zóna, smíšené a jehličnaté lesy Arktická oblast a tundra 1800 mm 40ºC 30ºC srážky Teplota 30 zem. šířky Evaporace 20ºC 600 mm 10ºC Deštný les Hornina na/ nebo blízko povrchu poušť Evropa a USA Zvětšující se hloubka zvětrávání Málo živin, tenká org.vrstva Zvětrávání do hloubky (~40-50 m hluboký profil) půda půda Matečná hornina Význam vlivu klimatických faktorů, rovník póly

41 laterite pedocal pedalfer Vlhké tropy Stepi a savany Mírný pás, půda neopadavého lesa

42 Ohrožení půd lidskou činností

43

44 Arktické půdy SOC in arctic tundra soils: 400 Gt do 1 m 747 Gt do 3 m C pool in atmosphere: Gt

45 Předpověď odtávání permafrostu Rozloha permafrostu (-30%) Průměrná roční T Koven CD (2011) PNAS 108, Hloubka aktivní vrstvy (v létě roztává)

46 Rusko, Kolyma - tající permafrost

47 Ohrožení půd = srovnání

48 Světové půdní typy podle klasifikace FAO

49 Shrnutí Tvorba půdy závisí na vlastnostech matečné horniny, podnebí, vegetaci, době tvorby půdy a působení člověka Půda vzniká tisíce let Půda bez života není půdou Sekundární křemičitany - jílové minerály jsou důležitou součástí půd, v průběhu zvětrávání se v nich hromadí Fe a Al Jílové minerály a organická hmota v půdě váží elektrostatickými (výměnnými) vazbami živiny a udržují je dostupné pro rostliny Jílové minerály a organická hmota v půdě zadržují vodu, zvyšují schopnost půd zadržovat vodu Dostupnost P závisí na ph půd Vlastnosti půd závisí na topografii terénu i na zeměpisné šířce Většina světových půd je ohrožena lidskou činností

50 Cyklus vody v suchozemském ekosystému

51 Voda a sluneční energie jsou základem fungování všech biogeochemických cyklů Sluneční energie via evapotranspiraci (viz bilance energie a rozdělení energie v ekosystému) Hydrologický cyklus via biologické procesy (rozpouštění živin, transport v ekosystému) R E S Biogeochemické cykly?? Role vodní páry při globálním oteplování?? Evapotranspirace = odpar z povrchu + transpirace rostlin

52 Základní principy bilance vody P± S=E+R vstup Srážky (P) Evapotrace + transpirace (E) výstup půda spodní vody Odtok do řek a oceánů (R) Zásoba (S) Obvykle S<<P nebo E+R, pak P E+R

53 Pohyb vody v suchozemském ekosystému

54 Pohyb vody rostlinou Hnací silou: gradient vodního potenciálu Atmosféra - nízký parciální tlak vodních par X Listy - vyšší parciální tlak vodních par než atmosféra výpar nízký vodní potenciál?? Jak si rostlina reguluje výpar z listů??? H 2 O CO 2 Stomata (průduchy) Vlhká půda Vysoký vodní potenciál

55 Ztráty vody z ekosystému Obvykle S<<P nebo E+R, pak P± S=E+R P E+R P=srážky S= zásoba vody v ekosyst. E=evapotranspirace R= odtok Rozdělení výstupu vody z ekosystému hraje kritickou roli v regionálních hydrologických cyklech Vlhké ekosystémy (porosty) Evapotranspirace se většinou v průběhu roku příliš nemění Les odpaří více vody než křoviny a louky; největší odpar jehličnatý les Suché ekosystémy Evapotranspirace limitována nedostatkem vody v půdě

56 Změny v zásobě vody v ekosystému (S) vstup výstup srážky evapotranspirace Retence v půdě Retence ve spodních vodách Odtok do řek a oceánů

57 Shrnutí Hydrologický cyklus a tok energie v ekosystému propojeny via evapotranspiraci Vegetace a půda hrají klíčovou roli v retenci vody v suchozemském ekosystému Člověk svou činností ovlivňuje retenci vody v krajině převážně negativně