wykłady z geologii i geomorfologii PB prof.Banaszuk.doc

7

Geologia jako nauka. Procesy geologiczne. Budowa Ziemi.

Geologia - rodzina nauk zajmujących się materią, budową i historią Ziemi, a zwłaszcza jej zewnętrzną strefą tj. skorupą ziemską.

Dyscypliny naukowe geologii:

-          geologia dynamiczna - badająca procesy zachodzące w skorupie ziemskiej i na jej powierzchni, ich przyczyny, mechanizm, przebieg i bezpośrednie skutki

-          geologia historyczna - badająca geologiczną przeszłość Ziemi,

-          paleontologia - nauka o kopalnych (pochodzących z przeszłości geologicznej) zwierzętach i roślinach,

-          petrologia (petrografia) - nauka o skałach,

-          mineralogia - nauka o minerałach

-          geochemia - nauka zajmująca się zawartością, rozmieszczeniem, historią oraz prawami obiegu i przemian pierwiastków chemicznych w przyrodzie,

-          tektonika - nauka zajmująca się przestrzennym rozmieszczeniem mas skalnych w litosferze, przyczynami i mechanizmem powstania takiego rozmieszczenia (diastrofizmem)

Budowa Ziemi: W kuli ziemskiej można wydzielić kilka koncentrycznych warstw (powłok) o różnym składzie i/lub cechach fizycznych, które nazywa się geosferami. W najszerzej przyjętym podziale wyróżnia się: skorupę ziemską, płaszcz Ziemi (górny i dolny), oraz jądro Ziemi (zewnętrzne i wewnętrzne). Skorupa ziemska oraz najwyższa część płaszcza składają się na litosferę (w niektórych starszych podziałach litosfera była utożsamiana ze skorupą ziemską).

skorupa ziemska - zewnętrzna powłoka kuli ziemskiej otoczona hydrosferą i atmosferą, a w głębi granicząca z płaszczem Ziemi (wzdłuż nieciągłości Moho). Grubość jej waha się od 5 do 80 km mając zdecydowanie większą miąższość na obszarach lądowych. Jest to powłoka typowo skalna, sztywna. Można w niej wyróżnić trzy zasadnicze warstwy: osadową, granitową i bazaltową. W części oceanicznej jest to warstwa osadowa i bazaltowa, w części suboceanicznej (subkontynentalnej) osadowa, niewielkiej grubości granitowa (często nieciągła) i bazaltowa i w części kontynentalnej osadowa, granitowa i bazaltowa. Wraz ze skalną częścią górnego płaszcza (kruchej i sztywnej warstwy perydotytowej) tworzy litosferę

astenosfera (warstwa Gutenberga) - warstwa górnego płaszcza występująca bezpośrednio pod litosferą. Jest to geosfera odznaczająca się znacznie większą plastycznością, w związku z częściowym stopieniem skał w jej obrębie. Pojawia się na głębokości od 10 do 100 km i sięga do ok. 350 km pod powierzchnią Ziemi.

płaszcz Ziemi - warstwa kuli ziemskiej leżąca pomiędzy skorupą ziemską a jądrem Ziemi. Przyjęty jest pogląd, że procesy zachodzące w płaszczu Ziemi są źródłem energii dla diastrofizmu. Sięga do ok. 2900 km od powierzchni Ziemi. Część płaszcza pomiędzy astenosferą a jądrem Ziemi nazywa się mezosferą.

jądro Ziemi (barysfera) - centralna część kuli ziemskiej poniżej 2900 km składające się z części zewnętrznej najprawdopodobniej w stanie płynnym i części wewnętrznej najprawdopodobniej będącej ciałem stałym.

Siły wewnętrzne. Diastrofizm, wulkanizm, plutonizm.

diastrofizm - ogół procesów prowadzących do mechanicznych odkształceń skorupy ziemskiej; termin stosowany w zasadzie do procesów działających na dużych obszarach. W większości przypadków przypisuje się diastrofizm działaniu czynników endogenicznych.

endogeniczny - określenie czynnika geologicznego (procesu, zjawiska itp.) pochodzenia wewnętrznego, czyli związanego genetycznie z litosferą lub głębszymi strefami kuli ziemskiej choćby miejscem jego przejawiania się była powierzchnia Ziemi.

egzogeniczny - określenie czynnika geologicznego (procesu, zjawiska itp.) dotyczącego powierzchni Ziemi mającego względem skorupy ziemskiej pochodzenie zewnętrzne, czyli związane genetycznie z hydrosferą, atmosferą, działalnością organizmów żywych lub z oddziaływaniami pochodzącymi spoza Ziemi (głównie Słońca i Księżyca).

Diastrofizm (prostym językiem) - są to więc wszystkie te procesy, które efektem są ruchy i deformacje litosfery. Objawy takich procesów, które możemy współcześnie obserwować to zmiany linii brzegowej oraz trzęsienia ziemi. Obserwowane deformacje skał skorupy ziemskiej - fałdy i uskoki - są trzecim objawem diastrofizmu, który nazywamy deformacjami tektonicznymi.

Zmiany linii brzegowej mórz (transgresje - wkraczanie morza na ląd; regresje - wycofywanie się morza z lądu) i pionowe ruchy lądów

np. świątynia Jowisza Serapisa k. Neapolu czasy rzymskie budowana, wczesne średniowiecze kilka metrów w morzu, od XVI w znowu na lądzie, skałotocza, teraz znowu się obniża. Skandynawia Zatoka Botnicka przystanie z XVII w już nieprzydatne.

ruchy eustatyczne morza - długookresowe zmiany poziomu oceanu światowego

(zmiany klimatyczne, narastanie osadów w basenach morskich, ruchy skorupy ziemskiej). Plejstocen 50-100 m. Morze Północne - koryta rzek na dnie mórz.

ruchy izostatyczne - pionowe ruchy bloków skorupy ziemskiej lub całej litosfery będące przejawem kompensacji izostatycznej, tj. przywracania zakłóconej równowagi przez fałdowanie, gromadzenie osadów, powstawanie lub zanik pokrywy lodowej i.t.p. np. podnoszenie się obszarów zlodowaconych (Zatoka Botnicka) max. 1cm/rok, poglacjalne ponad 300 m., a jeszcze może 200 m.

ruchy epejrogeniczne - powolne i długotrwałe pionowe ruchy skorupy ziemskiej obejmujące najczęściej rozległe obszary (nawet całe kontynenty i morza), które nie powodują istotnych deformacji wewnętrznych, czyli zmian struktury. Często miały charakter oscylacyjny. Przyczyny różne (izostatyczne ruchy wywołują wędrówkę mas, poziomy nacisk, zmiany objętości podłoża kontynentów wynikające ze zmiany warunków termodynamicznych. Nie maja bezpośrednich przyczyn w zaburzeniu izostazji.

ruchy orogeniczne (ruchy górotwórcze) - intensywne, krótkotrwałe, epizodyczne i nieodwracalne ruchy skorupy ziemskiej obejmujące dość ograniczone obszary, prowadzące do dość istotnych deformacji wewnętrznych (przede wszystkim fałdowania) i w konsekwencji do powstania gór.

tektonika płyt  - teoria, wg. której ewolucja tektoniczna co najmniej od schyłku paleozoiku polega na wzajemnych poziomych ruchach płyt litosfery, przesuwających się po astenosferze. Siłą napędową tych ruchów są prądy konwekcyjne w płaszczu Ziemi. W zależności od charakteru przesuwania się płyt względem siebie krawędzie płyt możemy podzielić na trzy typy: 1) związane ze spredingiem tj. tworzeniem nowej skorupy oceanicznej polegający na rozsuwaniu wcześniej utworzonej litosfery, 2) o charakterze kolizyjnym, gdzie płyty zderzają się ze sobą i 3) krawędzie poprzeczne, wzdłuż których płyty przesuwają się względem siebie. Najpowszechniejszym typem kolizji jest to kolizja oceanu i kontynentu z towarzyszącą jej strefą subdukcji tj. strefą podsuwania się płyty oceanicznej pod płytę kontynentalną. Pogrążając się coraz głębiej w płaszczu Ziemi ulega ona pochłonięciu. zachodzi Górotwórczość, sejsmiczność, plutonizm i wulkanizm są przywiązane do krawędzi płyt, zwłaszcza do stref subdukcji.

Trzęsienia ziemi: hipocentrum (ognisko) - miejsce z którego fale się rozchodzą, epicentrum - punkt najwcześniej uderzony, sejsmografy - urządzenia do rejestracji trzęsień Ziemi, skala Richtera - podstawą jest logarytm amplitudy największego odchylenia mierzonego w mikronach zapisanego przez sejsmograf określonego typu w odległości 100 km od epicentrum; każda jednostka oznacza ilość energii 60 razy większą od energii jednostki poprzedniej; trzęsienia <2 nie odczuwalne, bardzo silne przekraczają 8.

obszary sejsmiczne - trzęsienia często i silne

obszary pensejsmiczne - trzęsienia słabe

obszary asejsmiczne - wolne od trzęsień

Bełchatów - przemieszczenia mas i trzęsienia bo naruszona równowaga i ruch soli

Wulkanizm - ogół procesów polegających na wydobywaniu się magmy i towarzyszących jej gazów i par na powierzchnię Ziemi.

wulkan - miejsce, z którego na powierzchnię Ziemi wydobywa lub wydobywała się magma.

ognisko (kilka-kilkadziesiąt km p.p.t.) - miejsce w skorupie ziemskiej lub płaszczu Ziemi gdzie ze stopienia skał tworzy się magma, krater - lejkowate zagłębienie u wylotu przewodu wulkanicznego, którym wydostaje się na powierzchnię magma.

produkty wulkaniczne: lawa - magma, która wydostała się na powierzchnię, bomby, lapille, piasek i popiół wulkaniczny, pumeks, tufy - scementowane piaski i popioły wulkaniczne.

erupcja - wybuch wulkanu

wulkany efuzywne - lawowe - (np. wulkan tarczowy Mauna Loa) stoki do 80, lawa zasadowa, wulkany eksplozywne - popiołowy np. Mt. Pelee, lawa kwaśna, wulkany mieszane (stratowulkany) do 300 - np. Wezuwiusz..

kaldera - kocioł, ogromne zagłębienie w szczytowej partii wulkanu z którego najczęściej wyrasta stożek; powstaje po zapadnięciu się centralnej części wulkanu po wybuchu i opróżnieniu ogniska.

Plutonizm - zjawiska prowadzące do powstania magmy i głębinowych skał magmowych. Intruzje (wtargnięcia magmy w skały już istniejące) dzielimy na intruzje zgodne (wchodzące w przestrzenie na granicach warstw) np. lakolity, sille , lopolity, oraz intruzje niezgodne (przerywające, przetapiające warstwy istniejące) np. batolity, dajki, żyły kominowe.

Wietrzenie.

Wietrzenie - zmiany fizyczne i chemiczne dokonujące się w skale, gdy jest ona wyeksponowana na działanie atmosfery, hydrosfery i biosfery. Powoduje to rozpad skał i minerałów, a w trakcie działania czynników chemicznych i rozkład.

Wietrzenie zachodzi na powierzchni skorupy ziemskiej oraz w przypowierzchniowej zwykle bardzo cienkiej strefie nazywanej strefą wietrzenia. Przeobrażone składniki mineralne zgromadzone w miejscu,  którym zachodziło wietrzenie nazywamy zwietrzeliną (regolitem). Jej miąższość (grubość) zależy od tempa wietrzenia skały macierzystej oraz intensywności erozji (patrz część pt. „Procesy fluwialne, osady rzeczne”) usuwającej wierzchnią warstwę zwietrzeliny.

Wietrzenie zachodzi w temperaturach i ciśnieniu, z którymi stykami się na powierzchni Ziemi.

Wietrzenie dzielimy na mechaniczne (fizyczne) i chemiczne.

Wietrzenie mechaniczne (dezintegracja) - odłączanie fragmentów skał od pierwotnej całości lub rozdzielanie skał na drobniejsze fragmenty bez zmiany ich składu chemicznego.

Wietrzenie chemiczne (dekompozycja) - rozkład struktury chemicznej w obrębie ziaren mineralnych pierwotnej skały.

Wietrzenie mechaniczne wywoływane jest przez:

-          zróżnicowane rozszerzanie się skał wywołane zmniejszaniem się ciśnienia wskutek odciążenia, następujące wówczas, gdy powierzchnia jej zostaje odsłonięta,

-          wzrost obcych kryształów, takich jak lód lub sól w szczelinach i porach skał (sól działa silniej niż lód),

-          nierównomierne rozszerzanie się i kurczenie ziaren mineralnych wywołane niejednakowym lub nagłym ogrzaniem i oziębianiem powierzchni skały,

Rośliny swoimi korzeniami też powodują rozsadzanie skał.

Charakterystyczne łuszczenie się warstw skały wzdłuż linii najmniejszej wytrzymałości nazywa się eksfoliacją.

Wietrzenie chemiczne zachodzące w skałach są bardzo silnie związane z wodą będącą zarówno reagentem jak i nośnikiem produktów reakcji. Procesy wietrzenia chemicznego to:

-          utlenianie i redukcja, często dotyczy związków żelaza, którego w skałach jest zazwyczaj bardzo dużo, np. utlenianie tlenku żelazawego do żelazowego

-          hydroliza - tj. rozkład minerałów pod wpływem wody np. rozpuszczanie oliwinu, często mamy do czynienia z hydrolizą z udziałem CO2 co nazywane jest karbonatyzacją - tj. zmianą składu chemicznego skał pod wpływem dwutlenku węgla; np. rozpuszczanie skał wapiennych w obecności kwasu węglowego jest ok. 30 razy efektywniejsze.

-          hydratacja (uwodnienie) - łączenie niektórych minerałów pod wpływem wody np. przeobrażenie hematytu w limonit.

-          reakcja wymiany - zastępowanie jednych kationów w sieci krystalicznej minerałów innymi z wody gruntowej, typowe dla minerałów ilastych

-          chelatowanie (chelatacja),  polega na uruchomieniu kationów np. Fe i Al poprzez tworzenie związków kompleksowych składających się z kationów i cząstek organicznych, gdy w normalnych warunkach związki takie są prawie nierozpuszczalne.

Podstawowe czynniki w wietrzeniu chemicznym: aktywność biologiczna, warunki klimatyczne: temperatura i dostępność wody, skład mineralny skały macierzystej, rzeźba terenu, czas.

Powierzchniowe ruchy masowe.

              Jeżeli na luźne cząstki skalne na powierzchni Ziemi oddziaływują wystarczająco duże siły to cząstki te poruszają się. Stwierdzenie to jest prawdziwe dla wszystkich cząstek od koloidów do bloków. Wietrzenie jest niezbędnym warunkiem wstępnym, by dokonał się ruch okruchów skalnych w dół powierzchni terenu. Produkty ruchów osuwiskowych określane są jako koluwia.

Wszystkie ruchy zwietrzałego rumoszu skalnego skierowanego w dół stoku określa się jako ruchy masowe albo grawitacyjne. Jedyną znaczącą siłą tu jest w tym przypadku siła ciężkości (a nie wiatr, woda płynąca, lód czy płynna magma). Woda czy lód mogą jedynie odgrywać rolę "smaru" redukującego współczynnik tarcia i zwiększając ciężar mas zwietrzeliny.

Uproszczona klasyfikacja: (patrz tabelka)

Czynniki na podstawie, których podzielono ruchy to:

-          ilość zawartego lodu bądź wody,

-          charakter ruchu i to zarówno w formie osuwania i odpadania zwartej masy, jak i "płynięcia" dzięki wewnętrznym deformacjom,

-          prędkość ruchu, od niedostrzegalnego do kilkudziesięciu m/s