dynamická geologie

e – nutace.
Milankovičovy cykly
Tvar Země studuje a popisuje geodézie, kartografie.
Generalizování složitého tvaru zemského tělesa: rotační elipsoid - sféroid (střední hladina oceánu, kratší osa polární). Geoid.
Gravimetrický model Země – rozložení hmot v rámci zemského tělesa – vnitřní stavba. Variace tíhového zrychlení – nepravidelné rozložení těžších a lehčích hmot. Rotační elipsod/sféroid s kratší osou pólovou, kde je vnitřní rozložení rovnoměrně sférické a výslednice tížnice je v každém bodě kolmá k zemskému povrchu – tíhový referenční elipsoid. Role odstředivé síly na hodnotu gravitačního zrychlení na různých místech zemského povrchu.
Pohyby materiálu na zemském povrchu (slapové síly)
VII. Stavba a složení zemského tělesa
Zemské těleso se skládá z několika geosfér – zemské jádro, zemský plášť, zemská kůra, hydrosféra, atmosféra (biosféra). Vymezení pojmu litosféra.
Vnitřní a vnější geosféry a jejich dynamika.
VII.1. Stavba a složení vnitřních geosfér
Možnosti studia vnitřní stavby planety a jejich limity (přímé metody - přirozené odkryvy, vrtní a důlní díla, sopečné produkty a nepřímé metody - geofyzikální metody- především seismika, moment setrvačnosti). Laboratorní experimenty (vysokotlaká a vysokoteplotní petrologie).
Seismické/zemětřesné vlny (zákonitosti šíření seismických vln – rychlost, povaha dráhy – odraz a lom, vlnoplocha, povrchové a prostorové vlny. Typy seismických vln: a) kompresní vlny: primární (rychlé) prostorové vlny P, průchod kapalinou, pohyb ve směru šíření vlny. b) příčné vlny/ sekundární (pomalejší) prostorové vlny S, neprochází kapalinou, pohyb napříč k e směru šíření vlny(střižné vlny). C) povrchové vlny: Rayleighovy vlny (orbitální dráha – vlnění) a Loweovy vlny (horizontalní dráha, pomalejší)
Průchod seismických vln tělesem – deformace, rozdíly mezi jednotlivými vlnami.
Dle rychlosti šíření a povahy dráhy seismických vln lze odvodit že Země je heterogenní těleso (vertikální a horizontální nehomogenity), kde narůstá objemové hmotnosti s hloubkou a jednotlivé geosféry jsou odděleny více či méně výraznými diskontinuitami. Pozvolné vs. skokové změny- změna skupenství, změna fyzikálních vlastností hmoty.
Seismický model („Bullenův model“) stavby zemského tělesa
Povaha diskontinuit (hranice mineralogická vs. hranice chemická).
Geochemické modely stavby Země – modely chondritové (procesy diferenciace) vs. modely achondritové. Rozložení chemických prvků v jednotlivých geosférách - Goldschmidt, Clark (atmofilní, litofilní, chalkofilní, siderofilní prvky).
Současná stavba a složení je výsledkem dlouhodobé látkové a strukturní diferenciace. Dvě etapy vývoje: a) stadium vlastního formování planety (vlastní akrece, prvotní diferenciace)
b) pokročilé stadium /geologické etapy (pokračující diferenciace geosfér, vývoj zemské kůry, hydrosféry a atmosféry, opakovaný vznik hornin v rámci horninového cyklu, vznik a růst role organického života).
Limitní faktory pro rekonstrukci složení a stavby zemského tělesa: a ) primární materiál – chondritický, vývoj v rámci podmínek vnitřních planet – možnosti srovnání.
b) fyzikální vlastnosti zemského tělesa – modely v souladu s poznatky seismických modelů (rozložení hustot, pozice diskontinuit,..).
VII.2. Seismický model Země
VII.2.1. Zemské jádro
17% objemu, 34% hmotnosti zemského tělesa.
Hranice jádro plášť - Wiechert-Gutenbergova (Oldhamova) diskontinuita - 2900 km
Obrovský nárůst hustoty při této hranici z hodnoty kolem 5 g/cm3 na hodnotu 12-13 g/cm3, pokles vp z 13,7 na 8,1 km/s, mizí S vlny. Povaha diskontinuity - změna chemického složení kovové jádro Fe,Ni vs. silikáty pláště.
Vnitřně lze jádro rozdělit na a) centrální jadérko (5150-6378 km), Fe, Ni v pevném stavu.
vnější jádro (2900-5150 km) – neprochází S vlny, hmota na hranici likvidní a solidní fáze. Možná přítomnost lehčích prvků v jádře (Si,Mg,O,S) – snížení bodu tavení v rámci vnějšího jádra.
Vznik jádra – problematika homogenní vs. heterogenní akrece.
Relativní pohyb vnějšího jádra vůči jádru vnitřnímu a plášti – vysoký termální gradient, vznik magnetického pole Země.
Složky magnetického pole Země – a) vnější (sluneční vítr – ionosféra, magnetosféra), b) vnitřní (charakter dipólu, siločáry mezi jižním a severním magnetickým pólem, inverze magnetického pole – magnetostratigrafie, magnetická inklinace a deklinace, intenzita magnetického pole). C) korová složka.
Důvody magnetické inverze.
VII.2.2. Zemský plášť
80 % objemu zemského tělesa, významná role pro dynamiku endogenních geologických procesů. Látkově je plášť samostatný rezervoár. Dle seismických charakteristik a diskontinuit lze vyčlenit spodní a svrchní plášť. Někdy vyčleňována přechodná vrstva jádro-plášť (2900-2700 km). Spodní hranice pláště (Guttenbergova diskontinuita) v hloubce 2900 km.
Rozsáhlá energetická/tepelná a látková výměna v rámci pláště - konvekční proudění. Problematika interpretace hranice spodní vs. svrchní plášť – celoplášťová konvekce vs. oddělená konvekce ve spodním a svrchním plášti.
Dominantní minerály pláště jsou olivín, orto- a klinopyroxeny, granáty, sponelidy. Tyto minerály jsou hlavními horninotvornými minerály ultrabazických hornin (peridotity), a vysokotlakých eklogitů. Vysoká role tlaku – fázové změny minerálů s přibývající hloubkou (tlakem).
Z pohledu geochemického je plášť vůči chondritům silně obohacen o refraktorní oxifilní prvky (Al, Ca, Ti, Mg), mírně ochuzen o slabě a středně siderofilní prvky, velmi silně ochuzen o silně siderofilní prvky a vysoce inkompatibilní litofilní prvky a Si.
V plášti probíhá většina magmatických procesů.
Plášť prošel významnou diferenciací od primitivního/akrečního stadia.
Problematik „zúrodňování pláště“ procesy (látkově, energeticky) na zemském povrchu a v rámci kůry ve spojení se subdukcí (oceánská a kontinentální kůra, sedimenty). Vznik alkalických magmat nad horkými skvrnami – procesy na rozhraní jádro/plášť.

V.2.2.1. Spodní plášť
Rozmezí cca 670 km-2700/2900 km, (vp 13,7 km/s, vs 7,3 km/s, m.hmotnost 4,5 g/cm3)
Svrchní hranice – fázové přechody minerálů, pravděpodobně změna v minerálním i chemickém složení. Vnitřně homogenní těleso. Nejvyšší rychlosti šíření seismických vln ve spodních partiích pláště.
Velmi dynamická přechodná zóna podél spodní hranice spodního pláště.
Složení – experimentální studium – vysokotlaká nerozrůzněná polymorfní směs křemičitanů, fáze Fe,MgSiO3 se strukturou perovskitu, vysokotlaké fáze MgO, SiO2 (stišovit).
V.2.2.2. Svrchní plášť
Řada přímých údajů o složení a stavbě.
Rozpětí cca 60 km – 650/670 km
Vnitřně rozdělován na tří části:
Nejsvrchnější tvoří litosféra (tj. zemská kůra a nejsvrchnější svrchní plášť) – rigidní pevná zemská slupka.
Významné rozdíly mezi oceánskou litosférou (mocnosti 10-100 km) a oceánským svrchním pláštěm na jedné straně a pevninskou litosférou (mocnosti 150-200 km) a pevninským pláštěm na straně druhé. Rozdíly ve stáří, geologické stavbě, horninové náplni, genezi, mocnosti, původu a množství endogenního tepla, tepelný tok i vedení tepla. Oceánská litosféra je dotována teplem z magmatu stoupajícího z pláště (konvekce). Kontinentální litosféra – teplo radiogenního rozpadu (obohacení hornin kůry ve srovnání s pláštěm).
V podloží litosféry je zóna snížených rychlostí neboli astenosféra (hloubky cca 60/80km - 220/250 km, pokles vp i vs) – zvýšená plasticita hornin, významné termální rozhraní, parciální tavení pláště – tvorba magmat. Vysoký termální gradient umožňuje šíření tepla konvekcí (viskózně plastický stav), tvorbu magmat a pohyb litosférických desek. Rigidita litosféry vs. plasticita astenosféry (ohniska zemětřesení, subdukční zóny). Astenosféra plní roli kompenzační hladiny pro jednotlivé litosférické desky – izostatická rovnováha. Velmi proměnlivá vertikálně i laterálně. Mezosféra v podloží - fázové přechody (přestavba krystalové mřížky) typických minerálů (olivín, pyroxen, granát) svrchního pláště na fáze s hustší krystalografickou strukturou.
Horniny svrchního pláště – ultrabazika, peridotit, eklogit, pyrolit
Diskuse o povaze Mohorovičičova diskontinuity – chondritový (ultrabazika) a achondritový (bazika) model. Změna chemického složení.
Rozhraní kůra – plášť , litosféra – astenosféra, astenosféra-mezosféra jsou velmi nerovné, což vede k velkým laterálním teplotním a hustotním rozdílům svrchního pláště. Je to způsobeno konvekčním prouděním, výstupem plášťových diapirů, vstupem chladných a těžkých hmot v místech subdukčních zón a mocné litosféry. Trojrozměrné vyhodnocení rozložení těchto rozdílných hmot je spojeno s tzv. seismickou tomografie.
VII.2.3. Zemská kůra
Nejsvrchnější pevný obal – nízké proměnlivé rychlosti šíření seismických vln, nízká hustota hornin, silné tektonické postižení, vysoký stupeň anizotropie. Spolu s nejsvrchnějším svrchním pláštěm součást litosféry.
Látkově a chemicky nejvíce diferencovaná část Země – ve srovnání s pláštěm obohacena o litofilní prvky (Na,K,Ca), Si, Al. Složení: 64,7% magmatity, 27,4% sedimenty, 7,4% metamorfity, z minerálů dominuje křemen, živce, alumosilikáty. Geologický/horninový cyklus se odehrává v litosféře – významné obohacení vlivem procesů v rámci vnějších geosfér (atmosféra, hydrosféra a biosféra). Spodní hranice kůry – Mohorovičičova (Moho) diskontinuita. Vznik kůry ze svrchního pláště (primitivní kůra)
Tři základní typy kůry (rozdílná mocnost, složení - minerální i chemické, vývoj, stáří) - kůra kontinentální vs. kůra oceánská vs. kůra přechodného typu.
VII.2.3.1. Kůra oceánská
Součást oceánské litosféry. Mocnost oc. kůry 5-12 km, průměrná měrná hmotnost 2,9-3,0 g/cm3. Ve srovnání s kůrou kontinentální menší mocnost, odlišné minerální/petrografické a chemické složení, odlišná stratifikace, odlišný vývoj a geneze, menší stáří, vyšší měrná hmotnost. Tvoří asi 70% zemského povrchu, pozice v rámci oceánu (morfologie oceánského dna – středooceánské hřbety, abyssální plošiny, hlubokomořské příkopy - aktivní okraj, kontinentální svah a kontinentální úpatí -pasivní okraj). Změna mocnosti oceánské kůry – stáří, pozice.
Vertikálně členěna na 3 vrstvy: a) vrstva sedimentární (p. mocnost 0,5 km, vp 1,5-3,4 km/s)- hlubokomořské sedimenty, b) vrstva bazaltová (p. mocnost 1,75 km, vp 3,4-6 km/s - OFB – bazalty oceánského dna, MORB, polštářové lávy, role alterace, průniky paralelních bazaltových žil, c) třetí vrstva (p.mocnost 5 km, vp 6,5-6,7 km/s- gabra, amfibolity, v nejvyšších partiích bazaltové žíly, ve spodních partiích kumulátová gabra). V podloží peridotity (dunity, harzburgity) svrchního pláště.
Vznik oceánské kůry - středooceánské hřbety, rozpínání kůry, adiabatický výstup magmat, výstupná cela konvekčního proudění. Oceánské bazalty – geochemicky málo diferencované tholeity, vzniklé částečným/parciálním tavením peridotitů svrchního pláště. Dynamická recyklace oceánské kůry – zánik v subdukčních zónách, sestupná cela konvekčního proudu.
Ofiolity – zbytky staré oceánské litosféry (kůra a nejsv.plášť ) zapracované tektonicky do stavby kontinentální kůry. Uzavření oceánu – doklady deskové tektoniky.
VII.2.3.2. Kůra kontinentální
Vazba ke kontinentální litosféře. Vyšší mocnost 25-80 km (stáří, geotektonická pozice – vazba ke geomorfologii), průměrná měrná hmotnost 2,7 g/cm3. Kontinenty, mělká moře(šelf).
Velmi pestré a proměnlivé složení vertikálně i horizontálně (vývoj, stáří, geotektonická pozice). Vertikálně 3 vrstvy (výrazné rozdíly laterálně): nejvyšší vrstva sedimentární (proměnlivá mocnost -průměr 3 km, proměnlivé složení, vp 1,5-5,0 km/s, nárůst rychlosti s hloubkou). Střední vrstva granitoidní (mocnost 10-20 km, tělesa kyselých plutonitů a metamorfitů, vp 5,4-6,3 km/s, mineralizovaná fluida). Conradova plocha diskontinuity (přechod 2 a 3 vrstva kont. kůry, změna vp, proměnlivě výrazná). Spodní vrstva „bazaltická“ (bazické magmatity, metamorfity, vp 5,9-7,8km/s,velmi kolísající mocnost 15-50 km). Spodní hranice kůry- Moho diskontinuita – rozdílná výraznost (ostrá i pozvolná hranice).
Původ kontinentální kůry
Na rozdíl od oceánské kůry relativně stabilní po dlouhé jednotky geologického času. Vícestupňová diferenciace (parciální tavení, frakcionace magmatu, oddělení od reziduální/krystalické fáze, role exogenních procesů/zvětrávání, sedimentace,..). Koncentricko zonální model tvorby kontinentální kůry (dnes 41%).
Vývoj kůry (modifikace Wilsonova cyklu): stadium MORB - stadium andezitové/ostrovní oblouk- stadium andského vulkanismu(aktivní okraj kontinentu)
VII.2.3.3. Kůra přechodného typu
Mocnost kolem 20 km, specifická pozice (kůra ostrovních oblouků, některé případy styku oceánské a kontinentální kůry) – andezity.Vztahy různých typů kůry
VII.2.4. Izostáze, globální gravimetrické anomálie
Snaha o udržení rovnováhy ker kůry/litosféry. Procesy vzniku hustotních rozdílů litosféry.
Výrazné negativní gravimetrické anomálie v oblastech pásemných pohoří (lehké hmoty) vs. pozitivní gravimetrické anomálie přilehlých oceánů (těžké hmoty). Vazba gravimetrie a výrazných vertikálních rozdílů zemského povrchu – modely Pratt vs. Airy.
Příklady: procesy glaciace a deglaciace (Skandinávie), velké přehrady (Hoover Dam), rozsáhlá deltová tělesa. Tvorba reliéfu krajiny -údolní deprese.
Vertikální pohyby – izostáze vs. tektonika.
Regionální kompenzace

VII.2.5. Vnější obaly Země – hydrosféra, atmosféra, biosféra – exogenní procesy. Významná role vnějších obalů (termální rovnováha, vznik klimatu, ochrana živých organismů před kosmickým zářením, ..). Důležité cykly výměny hmoty (uhlík, voda, kyslík) mezi litosférou a vnějšími sférami.
Atmosféra – primární atmosféra (prvotní stadia vzniku Země), druhotná atmosféra (degazace vnitřních geosfér – vulkanické plyny), aktualistická atmosféra – role kyslíku, složení atmosféry. Struktura atmosféry - slupkovitá stavba (troposféra, stratosféra, termosféra, exosféra, magnetosféra). Proudění v atmosféře- nestejnoměrné přijímání slunečního záření (tlakový gradient, efekt Coriolisovy síly, nerovnoměrnosti zemského povrchu, nerovnoměrné rozdělení souší a oceánů,..).Geologická činnost větru.
Hydrosféra- voda oceánů a moří, jezer, vodních toků, podpovrchová voda, ledovce, atmosférická voda.
VIII. Minerály a horniny
Litosféra je tvořena horninami a minerály. Rozdílná hierarchická úroveň hmoty.
Minerály/nerosty – anorganická stejnorodá přírodnina (chemické prvky a jejich sloučeniny), které vzniky přírodními procesy a vyznačují se specifickou stejnorodou krystalickou strukturou. Složení lze vyjádřit chemickým vzorcem. Chemické a fyzikální vlastnosti jsou stejné v kterékoliv části.
Minerály vznikají za velmi rozdílných fyzikálních a chemických podmínek a jejich vznik je spjat s různými geologickými procesy (magmatismus, vulkanismus, metamorfóza, sedimentární procesy).
Horniny jsou seskupení minerálů nebo organických zbytků případně vulkanických skel (nehomogenní minerální asociace), které vznikají různými geologickými procesy a jako samostatná jednotka se účastní na stavbě litosféry. Horniny jsou obvykle látkově a strukturně nesourodé – jsou vícesložkové (výjimečně i monominerální horniny). Na rozdíl od minerálů je její chemické složení proměnlivé a nedá se vyjádřit chemickým vzorcem.
Horninový cyklus – změna fyzikálních a chemických parametrů v souvislosti s pozicí hornin v rámci svrchních zemských geosfér a vnějších zemských sfér vede ke vzniku různých skupin hornin (vyvřelé horniny, sedimentární horniny, metamorfované horniny) a minerálů. V rámci tohoto cyklu přechází jedny horniny v druhé – dynamické procesy.
Horniny lze geneticky rozdělit do 3 základních skupin: a) vyvřelé/magmatické horniny, b) sedimentární/usazené horniny, c) metamorfované/přeměněné horniny.
Základní parametry hornin: A) nerostné složení, B) stavba (struktura a textura).
Horninotvorné minerály lze dělit např. podle jejich relativního zastoupení v hornině (hlavní, vedlejší, akcesorické), podle makroskopické barvy (světlé, tmavé), …
VIII.1. Magmatismus
VIII.1.1. Úvod – základní termíny
Magmatismus je proces vzniku, vývoje, složení, diferenciace, výstupu, utuhnutí složité přirozené alumosilikátové taveniny a roztoků s ní spjatých do svrchních částí litosféry a na zemský povrch. Vznik magmatických hornin – krystalizace z magmatu, tavení svrchního pláště a spodní kůry.
Magmatismus se někdy dělí na a) plutonismus-intruzivní magmatismus, b) vulkanismus-efuzivní/extruzivní magmatismus.
VIII.1.2. Intruzivní magmatismus
Magma – mnohokomponentní systém, který tvoří fáze kapalná (většinou silikátová tavenina + H2O), fáze plynná (CO2, H2O, HCl, H2S, HF, N, He, SO2, SO3, F, O2 – var magmatu) a fáze pevná (vykrystalované minerály, relikty).
Charakteristiky magmatu: teplota (650oC-1200oC) a viskozita (chemismus, fluida, tlak)
Termíny: primární magma, primordiální magma, primitivní magma, mateřské a dceřinné/odvozené magma.
VIII.1.2.1. Magmatický krb
Výstup magmatu – počátek vzniku v různých hloubkách, tavení malého objemu horniny- vznik gravitační nestability pláště. Adiabatický gradient spolu s hustotními změnami díky fázovým změnám okolních minerálů směrem vzhůru – zrychlení pohybu magmatu. Zvýšení objemu taveniny. Spotřeba latentního tepla při výstupu, odvod tepla kondukcí při bázi litosféry, snížení hustoty okolních hornin – zpomalení výstupu – vznik magmatických rezervoárů /magmatické krby (vyrovnání gravitační nestability). Procesy v rámci magmatického krbu – rovnovážná vs. frakční krystalizace. Vznik rozsáhlých podpovrchových intrusivních těles.
Nerovnoměrné rozdělení podmínek pro vznik magmat v rámci zemských geosfér (vertikálně i horizontálně (rozhraní litosférických desek, hluboké diskontinuity).
VIII.1.2.2. Složení a klasifikace magmatických hornin
Klasifikace dle chemického a minerálního složení
Kyselé (nad 65% SiO2), intermediální (52-64% SiO2), bazické (52-44% SiO2) a ultrabazické (pod 44% SiO2) magmatické horniny – role křemene (hlavní vs. vedlejší minerál), draselných živců, plagioklasů, zástupců živců (foidy) dále olivíny, pyroxeny a amfiboly.
Vznik ultrabazického magmatu a bazického (čedičového) magmatu - sv. plášť (teploty 1300oC, hloubky 95-200 km, tlak 3000-6000 MPa- primární magmata.
Vznik dceřiných magmat – procesy diferenciace magmatu (likvace, frakční krystalizace (gravitace, filtrace), oddělení plynné fáze, asimilace a kontaminace).
Posloupnost krystalizace minerálů z magmatu (chemismus, čas, teplota, tlak)- Bowenovo krystalizační/reakční schéma – kontinuitní (Ca plagioklasy-Na plagioklasy) a diskontinuitní větev (olivín, pyroxen, amfibol, biotit) – K živec, muskovit, křemen.
Homogenní vs. heterogenní tavenina.
Granitoidní (kyselé) magmatické horniny
Typická složka kontinentální kůry – centra orogénů. Vznik parciálním tavením hlubších partií kontinentální kůry. Pokročilá frakční krystalizace, role anatexe, palingeneze a fluid.
Klasifikace granitoidů - granity I, S, A, klasifikace chemická (peraluminické, metaaluminické a peralkaické), klasifikace dle vztahu k orogenezi (pretektonické, syntektonické a posttektonické).
Geotektonická pozice magmatických hornin – kontinentální kůra, ofiolitové série, ostrovní oblouky.
VIII. 1.2.3. Tělesa magmatických hornin (podpovrchová)
Rozdělení dle pozice vůči zemskému povrchu (rychlost krystalizace, struktura, textura) – hlubinné, žilné, výlevné (efuzivní, extruzivní), někdy zvlášť vyčleňovány subvulkanické.
Podle vztahu k okolnímu horninovému plášti se dělí na diskordantní (nesouhlasná) a konkordantní (souhlasná). V rámci těchto skupin se pak dělí podle velikosti a tvaru.
Diskordantní tělesa - pravá žíla, žilný roj, žilník, prstencové žíly, ringové komplexy, peň, etmolit, batolit, pluton, masív.
Konkordantní tělesa - ložní žíla, lakolit, hemilakolit, bysmalit, lopolit, fakolit, harpolit.
Atektonické/Předtektonické struktury magmatických hornin
Pukliny (S-podélní, L-ložní, Q-příčné - Cloosovská tektonika)
Lineace - podélné prvky v hornině, např. shodné us