Úvod do geologie, vnitřní stavba Země, rozdělení hornin

Transkript

1 Úvod do geologie, vnitřní stavba Země, rozdělení hornin Geologie: výzkum látkového složení Země, její stavby a pochodů, kterými dochází ke změně zemského povrchu a nitra Země - význam geologie ve stavební praxi (projektování velkých pozemních a vodních staveb, sídlišť, vodohospodářských zařízení apod.) inženýrská geologie, která se opírá mj. o mechaniku zemin, hydrogeologii, aj. - důležitost uvědomění zákonitostí geologických pochodů a zákonitostí změn ve složení přírodních hmot a jejich praktických důsledků Tvar a velikost Země, její pohyby - mírně zploštělá ve směru osy vlastního otáčení (zemské osy) důsledek vzájemného působení odstředivé síly a síly zemské přitažlivosti - rotační elipsoid (sféroid; polární poloosa 6 353,631 km, rovníková poloosa 6 378,099 km) - povrch Země tvarově velmi nepravidelný (horstva, roviny, údolí, svahy, atd.) vyžití idealizované plochy geoidu ke geodetickým účelům - celkový objem Země mil km 3, váha cca 6*10 21 tun, střední hustota 5,51 g/cm 3 (hlubší části země vyšší hustota než povrchové) Druhy zemských pohybů: a) otáčení kolem zemské osy 365,2422krát (Z V směr), v minulosti se Země otáčela rychleji (1 rok cca 400 dní) b) oběh kolem Slunce rychlostí cca 30 km/s, po eliptické dráze vzdálené od Slunce 147 až 152 mil. km, jeden oběh 365 dní 5 hod 49 min (tj. hvězdný rok) důsledkem je střídání ročních období a vznik základních klimatických pásem c) rotační pohyb zemské osy (precese) působením sluneční gravitace a přitažlivostí Měsíce (nutace) - změny v pohybovém režimu vyvolávají vnitřní napětí vznik tzv. hlubinných zlomů - slapové síly díky gravitační síle Měsíce, střídání přílivu a odlivu - týká se atmosféry, hydrosféry, ale i litosféry (náklony jednotlivých bloků zemské kůry, gravitační skluzy sedimentů na svazích oceánského dna, mělká zemětřesení, vulkanismus a některé tektonické pohyby) Povrch Země - cca 510 mil. km 2, z toho souš 149 mil. km 2 (29,2 %), vodstvo 361 mil. km 2 (70,8 %) - rozdělení vod a souší značně nerovnoměrné vliv na podnebí kontinentů - vysoká pohoří, zemské hřbety a náhorní planiny často vystupují na okraji kontinentů nebo je lemují

2 - v oceánech naopak mnohdy nejhlubší místa v blízkosti horských hřbetů nebo sopečných pohoří při okrajích kontinentů nebo podél velkých ostrovních řad; v centrálních částech oceánského dna se zvedají vysoké hřbety - horská pásma dělí kontinenty na oblasti odvodňování do různých částí světového moře (většina pevniny Atlantik a Severní ledové moře, menší část do Tichého a Indického oceánu zvětralá horninová hmota splavována v různém množství do jednotlivých částí světových oceánů - rozsah oceánů a kontinentů se během geologické minulosti měnil Vnitřní stavba Země - nejhlubší doly v hloubce cca m (zlatonosné doly v jižní Indii a Africe) - nejhlubší vrty v roponosných oblastech od 3 do 6 km, nejhlubší vrt m (Murmanská oblast, Rusko) - směrem od povrchu do nitra Země roste teplota a tlak, mění se i složení zemské hmoty a zvyšuje se její hustota - oddělení jednotlivých sfér působením gravitace (nejtěžší v jádře, lehčí v koncentrických obalech) z původní žhavotekuté hmoty (Obr. 1, 2) - seizmické metody nejvhodnější pro nepřímé studium zemského nitra Obr. 1 Průřez zemí s vyznačením jednotlivých geosfér, diskontinuit a geofyzikálních zón (Sial = Si a Al, hlavní složky křemičitanů; Sima = Si a Mg, křemičitany některých zásaditějších, těžších vyvřelin; Crofesima = Cr a Fe; kovové prvky zastoupené v křemičitanech zásaditých vyvřelin a rudách; Nifesima = Ni a Fe, kovové jádro Země) (převzato z Obr. 2 Schéma mocnosti litosféry a astenosféry pod oceány a kontinenty (převzato z

3 Zemská kůra - hmota Země se do hloubky nemění plynule, ale v určitých hloubkách jsou nápadné změny plochy nespojitosti (diskontinuity): Mohorovičičova diskontinuita (MOHO plocha) v hloubce 30 až 40 km pod povrchem kontinentů, 7 až 15 km pode dnem oceánů; pod MOHO nárůst rychlosti zemětřesných vln, tj. pod plochou je vyšší hustota hornin; vnější litosféra nad plochou = zemská kůra Conradova diskontinuita v hloubce cca 10 km v kontinentálních úsecích zemské kůry (ne všude výrazně) - na základě diskontinuit rozdělení kůry na tři hloubková patra: 1. usazené horniny (sedimentární vrstva) nejsvrchnější patro, mocnost 1 až 5 km (místy až 10 km); nepřeměněné (max. slabě přeměněné, popř. sopečných), průměrná hustota 2,0 g/cm 3 2. krystalické horniny zejména kyselé vyvřeliny (žuly, diority), plus krystalické břidlice; průměrná hustota 2,7 g/cm 3 ; spodní hranice Conradova plocha; v oblastech oceánů tato zóna většinou chybí 3. čedičová nebo gabrová vrstva nejspodnější patro zemské kůry, hustota cca 2,9 g/cm 3 - v oblastech kontinentů tlustší než v oblasti oceánů žulové patro velká mocnost (50 až 60 km, zejména pod pásemnými pohořími) jako důsledek horotvorných pochodů (na úkor oceánské kůry) Zemský plášť - od MOHO plochy do hloubky cca km - vysoká hustota (3,3 až 3,6 g/cm 3 ) - peridotová (eklogitová) vrstva, složení podobné meteoritům - 3 vrstvy svrchní B, přechodní vrstva C, spodní vrstva D; ve vrstvě B obrovské zdroje energie a endogenních sil, které vyvolávají horotvorné a vulkanické pochody - astenosféra v hloubce 100 až 200 km, předpoklad viskózního proudění hmoty pláště, která pak vystupuje jako magma - ve vrstvě C hluboká ohniska zemětřesení Zemské jádro - plocha nespojitosti v hloubce km Gutenberg-Wiechertova hranice jádro/plášť - hustota 8 až 12 g/cm 3 nejspíše ze slitin Fe a Ni, příčina magnetického pole Země - vnější obal jádra (2 900 až km) nejspíše kapalný nebo plastický, vnitřní část (až km) v tuhém stavu = jadérko

4 Fyzikální vlastnosti Země Hustota, tlak, gravitace - přímé určení pouze v nejsvrchnější částí zemské kůry - nejnižší hustota organické hmoty (např. ropa), nejvyšší zásadité vyvřeliny nebo některé přeměněné horniny - hustota v některých hloubkách přibývá skokem - působení hmoty Země na všechna tělesa přitažlivou silou, tj. gravitací - zemská tíže výslednice gravitace a odstředivé síly, pomocí gravimetrického měření, směr všude kolmý k povrchu geoidu - na rovníku nejsilněji rušeny účinky gravitace odstředivou silou (neplatí zcela, ale zhruba) - anomálie důsledek nerovnoměrného rozmístění hmot; kladné tíhové anomálie důsledek hmoty o větší hustotě v hloubce (zásadité vyvřeliny nebo ložiska rud těžkých kovů); záporné anomálie (přítomnost těles lehčí hmoty) Zemský magnetismus - Země se chová jako permanentní dvoupólový magnet s osou mírně odchýlenou od zemské osy (nesouhlasná poloha zemských pólů s magnetickými) - magnetická deklinace odchylka směru zemského magnetismu od severojižního směru v daném místě - důsledek nejspíše působení termoelektrických proudů v důsledků procesů v jádře - poruchy druhotného magnetického pole v důsledku různé magnetizaci minerálů a hornin litosféry - směr a velikost magnetického pole se během geologické historie měnily Tepelný režim Země - dva hlavní zdroje: 1. vnější sluneční záření (na zemském povrchu podíl 99,5 %) 2. vnitřní radioaktivní rozpad látek zemské hmoty - denní kolísání teploty způsobené rotací měřitelné do hloubky max 1,5 až 2 m, roční variace do hloubky max 25 až 30 m - neutrální pásmo hloubka ustálené teploty (Praha v 20 m cca 8,1 až 8,9 C; Paříž v 28 m cca 11,8 C) - teplota roste s hloubkou teplotní gradient = přírůstek teploty na 100 m hloubky - geotermický stupeň hloubkový rozdíl, při němž se teplota zvýší o 1 C (průměrně 30 až 33 m v nejsvrchnější části zemské kůry, mění se se zeměpisnou polohou a geologickými poměry; závisí na tepelné vodivosti, na způsobu uložení vrstev, střídání méně i více vodivých hornin); důležité při projektování podzemních prací (max teplota 50 C, při vlhkém vzduchu 40 C) - v nejhlubších zónách Země teplota max 4000 až 5000 C - zdroj vnitřního tepla zejména rozpad radioaktivních prvků v horninách

5 - tepelný tok množství tepla procházející jednotkou plochy za jednotku času Q = k dt dz - k = koeficient tepelné vodivosti hornin, T = teplota C a z = hloubka v cm; Hodnota tepelného toku se udává v cal/cm 2 s - k závisí na jejich složení, struktuře, pórovitosti, velikosti zrna a obsahu vody (nejhorší vodiče některé sedimenty jako např. pískovce, slíny; nejlepší vodiče křemen, masivní vyvřeliny a některé metamorfity) Chemické složení Země - přesné chemické složení obtížně zjistitelné, vzorky z max. hloubky 20 km - rozbory vulkanických hornin vystoupaných z velkých hloubek - složení spodní části zemského pláště a jádra zejména díky geofyzikálním metodám - geochemie řeší rozmístění chemických prvků, jejich pohyby, slučování, chemické změny a rozpad, chemii geologických procesů - klark průměrný procentuální obsah jednotlivých prvků v zemské kůře nebo jiném geochemickém prostředí - kyslík - nejhojnější prvek (klark 49,13 hmot. %), společně s křemíkem (Si) a hliníkem (Al) tvoří asi 82,58 %; další nejhojnější prvky železo (Fe), vápník (Ca), sodík (Na), draslík (K), hořčík (Mg), vodík (H) společně s O, Si a Al 98,13 % veškeré hmoty zemské kůry - chemické složení Země se neustále mění v důsledku geologických pochodů uvnitř i na povrchu Země, činnosti živé hmoty, dopadem kosmického prachu apod., vč. transmutací prvků v zemské kůře, jejich rozpadem a změnami v izotopickém složení - v 1 km 3 hmoty zemské kůry prům. 130 mil. tun Fe, 230 mil. tun Al, 260 tis. tun Cu, tun U Geochronologie - určování stáří nerostů nebo hornin, vč. celých geologických jednotek - historická geologie zkoumá vývoj Země - jiný vývoj zemské kůry v oceánských a kontinentálních oblastech - relativní geologické stáří podle vzájemné pozice geologických objektů; v souboru usazených hornin, uložených v průběhu jednoho sedimentačního procesu, jsou vždy spodní vrstvy starší než vrstvy nad nimi (zákon superpozice) platí pokud není jejich pozice porušena mladšími pohyby (např. vrásněním) - žíly nebo jiná tělesa vyvřelin jsou mladší než horniny, kterými pronikají - sedimenty z valounů vždy mladší než horniny valounů - paleontologie určení relativního stáří usazených hornin (studium zkamenělin); starší geologické útvary společenstva primitivních forem života, postupně přibývá organizovanějších a složitějších forem; některé druhy a rody zakmenělin

6 charakteristické pro velmi krátká časová období, tzn. jsou zvláště vhodné k datování - geologické éry nejstarší je charakteristická nedostatkem organických zbytků = archeozoická (archaická, prahorní) éra -> primitivní organismy = proterozoická (starohorní) éra -> staré živočišné formy = paleozoická (prvohorní) éra -> dokonalejší, přechodné organické formy = mezozoická (druhohorní) éra -> mladé organické formy = kenozoická (třetihorní) éra -> přítomnost mladých organických forem = kenozoická (třetihorní) éra součástí této éry je i nejmladší anthropozoikum (čtvrtohory), pro něž je typický vývoj člověka (viz Obr. 3 a 4) - geologické éry se dělí na kratší časová období: periody, epochy, věky a období - stratigrafie studium časového sledu geologických jednotek určité oblasti, jejich vývoje a obsahu zkamenělin - stanovení absolutního stáří radiogeologie (založena na studiu rozpadu radioaktivních prvků) Rozdělení hornin - podle geneze: a) vyvřelé (magmatické) horniny vznik tuhnutím a krystalizací žhavé taveniny, tj. magmatu; láva = magma výlevných hornin; patří sem horniny hlubinné, žilné, výlevné b) usazené (sedimentární) horniny vznik mechanickým rozpadem a chemickým rozkladem původních hornin a ukládáním těchto produktů ve vodním prostředí nebo na souši; velkou část tvoří zbytky organismů; patří sem horniny klastické (úlomkovité), chemogenní, biogenní, (příp. biochemogenní) c) přeměněné (metamorfované) horniny vznik fyzikálně chemickými přeměnami hornin, při nichž působí zejména vyššími teplotami a tlaky; patří sem horniny regionálně, šokově, kontaktně a mechanicky metamorfované d) existují horniny přechodné např. sopečného původu, ale ukládány jako sedimenty (např. sopečný popel, tuf)

7 Obr. 3 Zjednodušená stratigrafická tabulka (převzato z Chlupáč et al., 2011).

8 Obr. 4 Zjednodušená stratigrafická tabulka (převzato z