STRATIGRAFIE n„Nauka o vrstevních sledech“ (princip superpozice) n Zabývá se relativním měřením času v geologii n nStuduje „horninové jednotky“ a interpretuje horninové sledy jako sled událostí v dějinách Země („klíč“ k pochopení historie planety Země) n nSoučástí téměř všech geologických disciplín (stáří hornin je jednou ze základních informací, se kterou pracují všichni geologové) n Stratigrafie kvalitativní nebo kvantitativní ? nDobře „usazená“ geovědní disciplína n nTeorie ¨Časový rozměr časoprostorových jednotek (time-rock units) ¨à časové škály, GSSP, globální standardy ¨Geneze hornin (genetická sekvenční stratigrafie) nAplikace ¨ekonomická geologie (uhlovodíky) ¨Nerudní suroviny ¨Geoarcheologie ¨Environmentální geologie img006 HSwillis strata_england_wales_1815 HSwillis Historie nN. Steno, 1669, Princip superpozice a související principy n n“No geology existed prior to Hutton“ n J. Hutton, princip uniformity, uniformitarianismus n nCharles Lyell, Principles of Geology n nW. „Strata“ Smith, základy biostratigrafie, principle of faunal succession („stejných zkamenělin“) n nLamarck, Darwin, evoluční teorie n nA. Gressley, pojem facie, interpretace nhorninových celků ve smyslu prostředí vzniku OBR_2 OBR_3 OBR_5 OBR_6 n img012 Geotektonické hypotézy nJ.D. Dana, J. Hall, geosynklinální hypotéza nM. Bertrand, teorie příkrovů nA. L. Wegener, kontinentální drift nHarry Hess, sea-floor spreading nJ.Tuzo Wilson, transform faults, Wilson cycle OBR_8 marcelbertrandfot tuzo_wilson harry_hess Datování hornin nE. Rutherford, manželé Curieovi, objev radioaktivity, počátek 20. stol. n nW. F. Libby (Nobel prize 1960), 14C dating libby F12 Posamentier Kolla (2003) J. Sedim. Res., 73(3). 367-388. nRozvoj technologií: ¨Širší spektrum metod, zejména podpovrchových ¨Levnější analytické technologie à velký počet datových bodů ¨Digitální zpracování dat n nSekvenční stratigrafie nSeismická geomorfologie nNové karotážní metody nGeochemie stabilních izotopů (O, C, S, N, Sr, Fe, Mo) WA2LOG USGS Open File Report 00-200: Walakpa 2 Well Log Data Moderní trendy kvantitativní ! Chronostratigrafická škála nDefinice mnoha útvarů (Cambrian, Silurian, Devonian, Permian) v polovině 19. stol (R. Murchinson, A. Sedgwick) n n2. pol. 19. stol., vytvoření chronostratigrafické škály n nMezinárodní návody lito- a biostratigrafické klasifikace a nomenklatury, Hedberg 1976, n Basic stratigraphic principles 1.The principle of superposition - in a vertical sequence of sedimentary or volcanic rocks, a higher rock unit is younger than a lower one. "Down" is older, "up" is younger. 2.The principle of original horizontality - rock layers were originally deposited close to horizontal. 3.The principle of original lateral extension - A rock unit continues laterally unless there is a structure or change to prevent its extension. 4.The principle of cross-cutting relationships - a structure that cuts another is younger than the structure that is cut. 5.The principle of inclusion - a structure that is included in another is older than the including structure. 6.The principle of "uniformitarianism" - processes operating in the past were constrained by the same "laws of physics" as operate today. img006 THE PRINCIPLE OF SUPERPOSITION •In a sequence of strata, any stratum is younger than the sequence of strata on which it rests, and is older than the strata that rest upon it. "...at the time when any given stratum was being formed, all the matter resting upon it was fluid, and, therefore, at the time when the lower stratum was being formed, none of the upper strata existed." Steno, 1669. img007 PRINCIPLE OF INITIAL HORIZONTALITY •Strata are deposited horizontally and then deformed to various attitudes later. "Strata either perpendicular to the horizon or inclined to the horizon were at one time parallel to the horizon." Steno, 1669. basin01 Nicholas Steno, a Danish physician living in Italy in 1669 proposed that the Earth’s strata accumulated with three basic principles. Steno pointed out obvious, but overlooked principles of sediment accumulation. They included the Principle of Original Horizontality, Principle of Superposition, and Principle of Original Continuity. If sediments accumulate in a large basin, the laws of gravity will deposit the beds, horizontal to the surface of the Earth. Beds can "pinch out" along the sides of the basin as in the figure below. The Principle of Superposition states that in a sequence of sedimentary rock layers, the bottom layers are older than the top layers. The bottom layers were deposited first. In the figure below A is the oldest bed and G is the youngest. The Principal of Original Continuity states that the beds can be traced over a long interval if the basins were open. For instance, Bed F can be traced continuously to the smaller basin in the figure below. The other beds below F can then be correlated to Beds A-E. PRINCIPLE OF STRATA CONTINUITY •Strata can be assumed to have continued laterally far from where they presently end. "Material forming any stratum were continuous over the surface of the Earth unless some other solid bodies stood in the way." Steno, 1669 Relativní datování: stratigrafická inkluze, stratigrafický průnik dating1 PRINCIPLE OF CROSS CUTTING RELATIONSHIPS * Things that cross-cut layers probably postdate them. "If a body or discontinuity cuts across a stratum, it must have formed after that stratum." Steno, 1669 Relativní datování: stratigrafická inkluze, stratigrafický průnik dating2 Principle of inclusions See Levin, 5th edition, p. 14-15 Note the irregular erosional surface. This is an unconformity. The clasts (in the bed above the unconformity) are derived from the underlying (older) bed. The gravel clasts are older than the layer which contains them. The layer containing the gravel must be younger than the layer from which the clasts originate erosion The Principle of Faunal Succession was later added by William Smith in the late 1700's who observed and studied fossils embedded in rock layers. This principle states that the oldest fossils in a series of sedimentary rock layers will be found in the lowest layer (layer A). Progressively younger fossils occur in higher layers (layer B). This is the same concept as superposition, but it helped geologists realize that you can look at the age of these layers and assign relative dates. This parallels evolution. Younger organisms replace older organisms as the older ones become extinct. img006 „Princip stejných zkamenělin“ dating5 PRINCIPLE OF UNIFORMITARIANISM based onrealizing that "The Present is the key to the Past.„ a.To understand past, study processes at work today. b.Origin of rocks understood by how rocks form now. c.Geologic processes are uniform through Earth history, with only a few minor exceptions. d.Rates that processes work are NOT uniform. a more general statement saying: "The laws of nature are constant thru time.„ 1.Scientific experiments always give same results. 2.Actualism is a fundamental concept of all science; itwas generalized from geological uniformitarianism. Principle of uniformitarism (actualism) Differencies in the past Chemical parameters 1)Different salinity of the oceans – Precambriam 2)Composition of the atmosphere 3)Different sediments (some U deposits, banded iron formations) 4) Evolution of bilogical systems 1)Hadaikum – no life 2)Absence of floral cover 3)Changes in environmental requirements 4) Different intensity of geological processes – orogenic cycles, climatic oscillations Different astronomical parameters – slower the rotation of Earth LENGTH OF THE DAY Narrative: The length of day and number of days per year is slowly changing. Tidal friction on Earth of lunar and solar tides slows it down. Also, the moon is slowly retreating from the Earth. Rate: rotation - slows by 1.7 milliseconds/year moon retreat - 5 cm/year Geophysical calculations of slowing are validated by evidence from fossils - which record daily bands and lunar cycles. (primarily the frequency and magnitude of tides) -Stromatolites -Corals -Bivalves 900 million years B.C. -- day: 18 hours; 440 days/year 150 million years B.C. -- day: 23.5 hours; 370 days/year (late Jurassic) Modern -- day: 24 hours; 365.25 days/year Circadian rhythm in higher animals does not adjust to a period of less than 17-19 hours per day. Therefore, records the time of emergence of metazoans. nVytvoření sekvence ¨Sled „událostí“ ¨Časové nástroje ¨ nInterpretace záznamu sejmout Stratigrafické nástroje nVytvoření sekvence procesů / událostí ¨Litostratigrafie, relativní datování nČasové nástroje ¨Bio- ¨Evento- ¨Cyklo- ¨Chemo- ¨Magneto- ¨Geochronologie nInterpretační nástroje ¨Sekvenční stratigrafie ¨ - ekologie ¨Paleo - klimatologie ¨ - geografie/tektonika stratigrafie Horninový záznam Historie Země Stanovení sekvence,Litostratigrafie correlation2 STRATIGRAFIE a STRATIGRAFICKÁ KORELACE nStratigrafie: n nauka o vrstevních sledech (princip superpozice) n Zabývá se relativním měřením času v geologii n nStratigrafická korelace: n (porovnávání stáří prostorově nesouvislých vrstev na základě společných znaků – obsahu fosílií, litologie, chemického složení, fyzikálních vlastností, atd.) n nLITOSTRATIGRAFIE (korelace na základě litologických znaků) nBIOSTRATIGRAFIE (korelace na základě fosílií) nCHEMOSTRATIGRAFIE (korelace na základě chemického složení) nMAGNETOSTRATIGRAFIE (korelace na základě magnetické polarity) LITOSTRATIGRAFIE correlation1 correlation5 Korelace na základě litologických znaků sedimentu: minerální složení, struktura, textura, mocnosti vrstev, atd. litostratigrafické jednotky – superskupina > skupina > souvrství > vrstvy (člen) > vrstva Marker (key bed) Podloží – nadloží ? nStanovení směru do nadloží nVýmolové šikmé vrstvení nNormální gradace nBahenní praskliny nZachované vrstevní tvary (čeřiny) nGeopetální struktury n n relative_dating1 Litostratigrafie České křídové pánve http://geologie.vsb.cz/reg_geol_cr/8_obr/8_10_strat_tab_CKP.gif nSouvrství (perucko-korycanské) nČlen / vrstvy (perucké) n nLitologie nchronostratigrafie n Litostratigrafie moravskoslezského kulmu nFormation (Moravice) nMember / Beds (Vikštejn) n nchronostratigraphy Diachonismus horninových těles (litostratigragických jednotek) n sejmout0005 Zásady litostratigrafické klasifikace a nomenklatury sejmout0003 sejmout0001 nHranice mezi litologickými jednotkami: diskordance, konkordance, pozvolné vertikální přechody, laterální prstovité zastupování, nHranice mezi litostratigrafickými jednotkami: musí být zvoleny v jednom konkrétním bodě nMusí splňovat kritérium mapovatelnosti nMusí platit princip superpozice n Definice a specifikace jednotek nNázev, geografická lokalita, historická priorita, jeden název jen pro jednu jednotku i v odlišném ranku nLitologie, barva, sedimentární textury, mocnost vrstev, cyklicita, karotážní charakteristika (tam kde chybí výchozy) nTypový a referenční profil (stratotyp), charakteristické znaky jednotky + její spodní hranice, v případě nouze může být stratotypem jádrovaný vrt, snadná přístupnost nHranice (spodní, svrchní), v případě pozvolných přechodů musí být zvolen jeden určitý bod a jednoznačně popsán nDělení na dílčí jednotky, uvedení všech dílčích jednotek, nově definovaných i dříve definovaných s patřičnými citacemi nMocnost, typický mocnostní rozsah a extrémy nRozsah, ve smyslu dnešní geografie a ideálně i ve smyslu původní sedimentační pánve nStáří, uvedeno v chronostratigrafických jednotkách Litodemické jednotky nNejsou zvrstvené a neodpovídají pravidlu superpozice, nDefinované na základě litologické charakteristiky nLitodém (základní) nSkupina (superskupina) (“super/suite“) nKomplex/terán: skupina dvou a více geneticky odlišných horninových celků n sejmout0006 Metody dálkového průzkumu nDálkový průkum Země (remote sensing): stanovení charakteristiky určitého území bez přímého fyzického kontaktu nDetekce, zesílení, zobrazení a interpretace odraženého a emitovaného EM záření nLetecký, satelitní průzkum nHyperspektrální snímkování nRozlišení minerálů, vegetačního pokryvu, který odráží geologické podloží sejmout0007 Odraznost (spektrální křivky) nDistinct wavelength absorption bands related to crystal structure (Fe minerals, etc.) nNUV (300-400nm) – VIS (400-700nm) – NIR (400-2500nm) nSpectral reflectance curves nProcessing: % reflectance in standard VIS colour bands (violet – blue – green – yellow – orange – red); peak height in 1st derivative and 2nd derivative curve à percentage of hematite, goethite, chlorite, etc. nD. Heslop et al. / Marine Geology 241 (2007) 63–78 nDeaton BC, Balsam WL / J Sed Petrol 61 (1991) 628-632 natd many others n n sejmout0005 n n sejmout0005 Spektrální odraznost v karbonátech (spodní devon, Barrandien) nStratigrafické jednotky nKoncentrace chromatoforů (kalcit, hematit, goethit) n figure_3 figure_7 figure_6 n algeriab n Zagrosss Geofyzikální metody, vrtná karotáž sejmout0010 sejmout0009 Metody vrtné karotáže nSpontánní potenciál (spontaneous potential logging): elektrický proud vznikající z rozdílů salinity (potenciálů) vrtných fluid a fluid v hornině, rozlišují permeabilitu nGamakarotáž (g-ray logging), přirozená radioaktivita hornin a minerálů, struktura a geochemie sedimentu nHustotní karotáž (density logging): elektronová hustota (hustota) materiálu (g.cm-3) nNeutronová karotáž (neutron logging), neutrony emitované sondou kolidují s částicemi v hornině (H, Cl),které emitují gamazáření o charakteristické energii, indikují obsah vodíku ve vodě obsažené v pórech, definují a kvantitativně odhadují porozitu nOdporová karotáž (resistivity logging) ¨Křemen, kalcit, dolomit, uhlovodíky, póry naplněné vzuchem: resistivita > 100 miliónů ohmmetrů ¨Póry nasycené vodou a fluidy nSladká voda: 26 ohmm nMořská voda: 0,18 ohmm nPodpovrchová horninová solanka: 0,055 ohmm ¨Jílové minerály: schopné iontové výměny: dobrá vodivost = nízká resistivita nSklonoměrná karotáž (dipmeter logging): strukturní sklon měřený 4 sondami, které měří mikroresitivitu, tektonický úklon vrstev, šikmé zvrstvení, atd. nAkustická karotáž (sonic logging): rychlosti šíření seismických vln g-karotáž nSpontánně radioaktivní izotopy v horninách (U řada, Th řada, 40K) ng záření (EM vlnění) ¨emitované při radioaktivním rozpadu ¨charakteristická energie n1.360 - 1.558 MeV, K, n1.564 - 1.953 MeV, eU (uranium equivalent) n2.414 - 2.804 MeV, eTh (thorium equivalent) (NaI2) nScintilační detektor (jodid sodný) detekuje g - záření, ¨jednotky API (American Petroleum Institute) ¨Obsahy K(%), Th(ppm) a U(ppm) (spektrální gamakarotáž) n n g-karotáž sejmout0012 nK: v krystalové mřížce, draselné živce, muskovit, illit nTh: vázaný na jílové minerály nU: organická hmota, fosfáty, vazba na jílové minerály n nK, Th: „indikátory jílů“ n nTvary křivek: ¨zvoncovitý (bell) ¨Válcovitý (cylinder) ¨Nálevkovitý (funnel) n nZrnitostní trendy: ¨Do nadloží hrubnoucí (CU) ¨Do nadloží jemňující (FU) n sejmout0011 Poměry K/Th sejmout0010 Poměry Th/U, KUT diagramy sejmout0012 sejmout0013 n sejmout0014 Korelace g- a akustické karotáže •Musí platit pravidlo superpozice (korelační linie se nesmí křížit) •Proximálně – distální vztahy / vykliňování vrstev •Respektování karotážních tvarů (zvoncovitý, válcovitý, nálevkovitý) •Náhlé zvraty na křivkách BIOSTRATIGRAFIE Korelace na základě stejných fosílií (princip stejných zkamenělin) Indexové fosílie (vůdčí zkameněliny), pravidla: kosmopolitní, dobrá identifikovatelnost, rychlá evoluce, hojný výskyt (Ammonoidea, Radiolaria, Conodonta, Cocclitophorida, Trilobita, atd.) Biostratigrafická zóna (biozóna), typy zón: intervalová zóna, zóna společenstva, zóna rozsahu Biostratigrafické zonace biostratigraphy correlation4 img012 Identifikace hiátů a skrytých diskordancí Index Fossils Guide Fossils (other terms used: Zone Fossil, Index Fossil) A good index fossil must be: 1. Independent of environment 2. Fast to evolve 3. Geographically widespread 4. Abundant 5. Readily preserved 6. Easily recognised Examples: Graptolites, Ammonites, Foraminiferans, Pollen, Nannoplankton Biostratigraphic Zones Biozones - the most fundamental biostratigraphic units. A zone is a body of rock whose lower and upper boundaries are based on the ranges of one or more taxa (usually species or phena) (see this Figure for graphic examples of the major types of biostratigraphic zones) Rozsah taxonů na lokalitě B C D A vzorek První výskyt (FAD) taxonu D Poslední výskyt (LAD) taxonu D První výskyt: First appearance datum (FAD) Poslední výskyt: Last appearance datum (LAD) Biozóna a biohorizont, typy biozón n sejmout0001 sejmout0002 Materiální a časový rozměr biozón n sejmout0008 sejmout0004 nHranice devon / karbon v Evropě n nGlobální stratotyp (GSSP) hranice devon/karbon vyžaduje redefinici n nProfily v Moravském krasu: unikátní propojení biostratigrafie konodontů a foraminifer n nDatování hornin, možná řešení GSSP hranice devon/karbon Biostratigrafie hranice D/C Problémy nEroze a přeplavení nBiozóny definované na základě absence indexového taxonu Conodont biostratigraphy nTypically, several conodont populations from multiple stratigraphic levels n nStratigraphic inclusion of older conodonts from reworked deeper sediment layers nStratigrafická inkluze à přeplavení starších konodontů do mladších vrstev n nVelikost konodontů a složení společenstva závisejí na zrnitosti a složení sedimentu n nBiostratigrafie může být zatížena značnou chybou 358,9 +/-0,4 Ma 372,2 +/-1,6 Ma Problémy biostratigrafie konodont_rework Bábek O, Kalvoda J (2001) Facies 44: 211-226. Sedlák P (1999) MS, diplomová práce, UP Olomouc Rambousek L (2004) MS, diplomová práce, UP Olomouc Bábek O. (1996) Geol. Výzk Mor. Slez. v r. 1995, 76–78. Biostratigraphic correlation n korelace_brekcie Time correlation Diachronous onset of breccia deposition = Local control on deposition: tectonic activity souhrn_profily mapka_morava1 Grafická korelace bio- vs. litostratigrafie: věkový model (age mdoel) sejmout0003 UDÁLOSTNÍ STRATIGRAFIE EVENTOSTRATIGRAFIE n STRATIGRAFICKÁ UDÁLOST: n nZáznam relativně krátkodobého procesu v horninách nDepoziční události: téměř okamžité, na sedimentaci „pozadí“ ¨Mořské prostředí ¨Terestrické prostředí nNedepoziční a erozní události: náhlá eroze, „winnowing“ – třídění vyplavováním, redepozice, kondenzace, „hladovění“, nVýjimečné fyzikální procesy a události: zemětřesení, impakty nAntropogenní události nBiologická (evoluční) událost: (náhlé FOI, hromadná vymření) à biostratigrafie n nEvent bed: událostní vrstvy nEvent horizon: událostní horizont DEPOZIČNÍ UDÁLOSTI eventstrat0001 Depoziční vrstvy (event) Přírustek velkého objemu sedimentu za velmi krátký čas Korelace událostních sedimentů = korelace časového horizontu - Událostní vrstva - Depoziční „pozadí“ (background) nPovodně nTransgrese nTsunami nTempestity nSedimenty gravitačních toků nVulkanické erupce nZemětřesení nimpakty skenovat0002 Rekurenční interval vs. velikost události Tempestity nIdentifikační znaky – sedimentární textury: ¨Hummocky cross stratification (hřbítkovité zvrstvení) ¨Wave ripples (vlnové čeřiny) ¨Current ripples (proudové čeřiny) eventstrat0002 Tempestity nAmalgamace (slévání vrstev) nScours (výmoly) nTool marks (otisky po dopadu) nCombined flow (vícesměrný) nUnidirectional (jednosměrný) nProximální vs. distální nFining and thinning upward (FU) (transgrese) nCoarsening and thickening upward (CU) (regrese) eventstrat0003 cycles0001 n foto_gradedbedding n DSC_0071 Sedimenty gravitačních toků: bahnotoky nCohesive flow, plastický tok soudržného materiálu (bahno) nTurbidity nIntraclasts (útržky dnových sedimentů) nSlump fold (gravitační vrásy) nExtraclasts (klasty „odjinud“) eventstrat0004 Turbidity: nGroove, flute casts, tool marks (erozní výmoly) nTraction (klouzání zrn po povrchu) nAmalgamace nGrading (gradační zvrstvení) : normální, inverzní (převrácené) nTrace fossils (fosilní stopy) nProximální vs. distální eventstrat0005 cycles0002 Kalové turbidity nBiogenní gradace eventstrat0006 foto_D-facie2 bounce_casts bioglyfy foto_C-facie9 n B-facie1 C-facie2 Depoziční události v kontinentálním prostředí: Tefrostratigrafie eventstrat0008 tefra0002 Tefrostratigrafie n tefra0001 tefra0004 Událostní stratigrafie: tefrochronologie TPetrographic and chemical studies can identify unique tephra signatures which can then be used in a tephrochronology T Tehpra Layers http://www.gfz-potsdam.de/pb3/pb33/projects/monticchio_tephrochronology/content_en.html Tefrochronologie tephrochronology http://www.grancampo.de/english/tephra/tephra3.htm VÝJIMEČNÉ UDÁLOSTI: Zemětřesení Sediment: „seismit“ n eventstrat0013 n H:\Obrázky_soukromé\2008\Irsko_cerven_2008\P6270245.JPG n H:\Obrázky_soukromé\2008\Irsko_cerven_2008\P6230649.JPG The asteroid impact theory was first proposed by Louis and Walter Alvarez in 1980. They discovered high concentrations of iridium - an element rarely found on Earth but found in abundance in extraterrestrial bodies such as asteroids and meteorites - in a thin layer of clay from Italy. The iridium was found at the Cretaceous-Tertiary (K/T) boundary, the layer of geological deposits dated at 65 million years when the dinosaurs became extinct. alvarez asteroid_impact Asteroid impact This theory is that an asteroid 4-9miles in diameter hit the Earth.　 Since the asteroid scattered awful amount of dust and debris in the atmosphere, the dust and debris blocked the most of the sunlight, and the temperature lowed down globally. The low temperature caused the mass extinction. DDHORZ impact-ct2 mimbral qtz-chic •Šokový křemen •Tektity •Iridiová anomálie • Chicxulub chicxulub Non-depoziční a erozní události: Záznam transgrese – regrese eventstrat0012 •Transgresní rezidua •Skeletální (fosilní) koncentrace •Erozní diskordance •Kondenzované vrstvy TST HST LST Hladina moře čas Transgrese - regrese nRedepozice (reworking) n„Pevné dno“ (hardground) nFosfatizace eventstrat0010 Skeletální akumulace (coquiny, lumachely) nVyplavování (winnowing) n(vlnová báze, hloubka vody = ½ vlnové délky) ¨FWB ¨SWB nTransgresní rezidua (lags) nKoncentrace proudem (current) nTempestity nkondenzace n eventstrat0011 DSC_0279 Skeletální akumulace: Three Cliffs Bay, sp. karbon, jižní Wales Non-depoziční a erozní události: kontinentální prostředí nSedimenty: npůdní horizonty (paleosoly) nKrasovění n„incised valleys“ eventstrat0009 Půdní horizonty ve sprašopůdních souborech n sobr 07nonmLoess2 DSC_0291 Zkrasovělý povrch vápence: Three Cliffs Bay, sp. karbon, jižní Wales Antropogenní události: Datování 137Cs n137Cs: antropogenní izotop, vzniká jako produkt umělých radioaktivních rozpadů (jaderné elektrárny, jaderné výbuchy) n nČernobyl 1986 nPacific nuclear weapon tests 1960-61 Datování 137Cs Mrtvé rameno Moravy Čerťák, Uh Hradiště certak_figure_5 DSC_0046 Cyklostratigrafie nCyklostratigrafie se zabývá charakterizací, korelací a interpretací cyklického stratigrafického záznamu, a zejména jejich aplikací v geochronologii n nKorelace na základě sedimentačních cyklů o stálé periodě n nCyklostratigrafie je studium astronomicky řízených klimatických cyklů v sedimentárním záznamu Cyklický záznam sedimentace: střídání vápenců a slínů H:\Obrázky_soukromé\2009\francie_2009\DSC_0636.JPG H:\Obrázky_soukromé\2009\francie_2009\DSC_0636.JPG H:\Obrázky_soukromé\2009\francie_2009\DSC_0638.JPG Cyklicita sedimentace nAutocyklické mechanismy (zpravidla nestálá perioda) ¨Delta switching ¨Turbidite compensation cycles ¨Meandering river ¨… nAlocyklické mechanismy n (stálá nebo variabilní perioda) ¨Sea-level fluctuations ¨Transgression-regression ¨Sediment supply changes ¨Climate changes ¨Organic productivity changes ¨Ocean and atmosphere chemistry changes Cycles Slide 1 Autocyklicita Alocyklicita: periodický vs. neperiodický záznam vztah mocnost : čas Cycles Cycles Symetrické / asymetrické cykly n Cycles Cycles Různé řády cyklické sedimentace nMěřítko mocnosti ~ měřítko času n HIRES, High Resolution Stratigraphy n Cycles Cyklicita v mocnosti vrstev (rychlosti sedimentace) Cycles Orbital Diagenetický přetisk cyklicity Cycles Unlocking Orbital Cyklostratigrafická korelace Fisherovy diagramy (Fisher´s plots) mocnost perioda Diagram mocnost : pořadí cyklu cyklu Fischerovy diagramy slouží ke korelaci cyklického záznamu na dvou/více profilech Předpokladem je, že periodicita cyklů je stálá a stejná pro oba korelované profily Parasekvence = jednotlivé cykly Grafické zpracování cyklického záznamu: gamakarotážní cykly Orbital nVizualizace cyklů nroztažení amplitudy, nFiltrace záznamu: „moving average“ – klouzavý průměr, 3-, 5- a více- bodový nBand-pass filter – odstranění určité frekvence ze záznamu n Korelace gamakarotážních cyklů Orbital Cyklicita v obsahu CaCO3 n Unlocking Cyklicita v obsahu TOC 12_7_1_2-3m certak_figure_3 Záznam izotopů kyslíku v mořských sedimentech za posledních 700 tisíc let Vrtné projekty DSDP a ODP Pelagické sedimenty, cca konstantní rychlost sedimentace, datování 18O v schránkách plaktonních foraminifer (CaCO3) Časové řady Pylové analýzy nLong cores from eastern Columbian lakes ¨Pollen records that alternate between grass and trees ¨100,000 year cycles nTrees grew during rapid warming nGrassland dominated during slow cooling intervals figure 12-10 Unlocking Unlocking nNormalizace na aritm. průměr nebo pohyblivý aritm. průměr nFrekvence nFrekvenční spektrum Mapování frekvence cyklů: - mocnostní doména - časová doména Astronomické cykly n Astronomické cykly a jejich řády Unlocking Astronomické cykly: Milankovičovo pásmo (orbitální cykly) Cycles nExcentricita nNáklon (šikmost) nPrecese n Orbital eccentricity Excentricita Excentricita = (vzdálenost mezi ohniskem a středem elipsy) / (délka vedlejší osy) Excentricita dráhy Země kolem slunce kolísá od 0 do 0.05, s periodou 100 tis. Let, 400 tis. let a 2 mil let. ecc_paillard_2001 •Časová řada Excentricita Oslunění (W/m2) • • • • • • •Frekvenční spektrum obliquity Náklon (šikmost) zemské osy Náklon zemské osy kolísá od 22° do 24,5°, perioda 41 tis. let. obliq_paillard_2001 obliq_paillard_2001 precession Precese Kolísání zemské osy s periodou 19 tis. let a 23 tis. let. Modulace záznamu precese excentricitou: Zima na S. polokouli v perihéliu, léto v aféliu: zmírněné sezónní výkyvy (DNEŠEK) Zima na S. polokouli v aféliu, léto v perhéliu: zesílené sezónní výkyvy (KONEC POSLEDNÍHO GLACIÁLU) prec_paillard_2001 Precese •Časová řada •Precese •Oslunění (W/m2) • •Frekvenční spektrum • •Modulace excentricitou milankovitch_portrait • Renewed interest in orbital forcing of glacial cycles occurred when M. Milankovitch (1941) computed long-term variations in insolation. • Milankovitch believed that cold summers led to glaciation by allowing snow to survive into the next year. M. Milankovič insolation_time_series Oslunění na 65°N nHigh latitude summer insolation (June, 65°N) has been regarded as an index of orbital forcing of glaciation. (This is the original Milankovitch hypothesis: Cool summers are beneficial to ice growth.) n nNote that the effects of precession are modulated by eccentricity. n nFor low summer insolation: Aphelion in summer (esp. with high eccentricity), low obliquity. Orbitální „ladění“ – orbital tuning Orbitální ladění je proces adjustace geologické nebo klimatické cyklicity na časovou škálu Milankovičových cyklů zemských orbitálních pohybů. Orbitální ladění se používá ke kalibraci chronostratigrafických jednotek (známá perioda orbitálních pohybů) à přesnost 20 tis. let v kenozoiku Riziko „přeladění“ – interpretace zdánlivé cyklicity, která není řízena astronomicky Orbitální ladění: příklady A: MPT – middle Pleistocene transition (náklon 41 kyr) à excentricita (100 kyr) B: náklon (41 kyr) C: excentricita (100 kyr) modulovaná exc (405 kyr) D: excentricita (100 kyr) modulovaná exc (405 kyr) Přetisk orbitálního záznamu do vrstevního sledu: faktory n Cycles Sekvenční stratigrafie •Sekvenční stratigrafie studuje záznam prehistorických změn hladiny moře v sedimentárních horninách • •Sekvenční stratigrafie zkoumá „prostorové (geometrické) uspořádání vrstev (stratal stacking patterns), klíčové povrchy (hranice) a jejich změny v chronologickém rámci“ • •S.S. slouží ke globálním, regionálním a lokálním korelacím • •Součást cyklostratigrafie (změny hladiny moře jsou cyklické) a eventostratigrafie (klíčové depoziční a erozní povrchy vázané na změny hladiny moře) • •S.S. je někdy považována za “poslední konceptuální revoluce v sedimentární geologii“ Sedimentární záznam cyklických měn hl.m. na kratonu: Slossovy sekvence 1963 Lawrence Sloss recognized 6 major sequences in North America controlled by eustatic sea level changes Řídící faktory sekvenční stratigrafie •Sequence stratigraphy highlights the role of ‘allogenic’ (or external) controls on patterns of deposition, as opposed to ‘autogenic’ controls that operate within depositional environments • •Eustáze (změny mořské hladiny) •Subsidence (tektonické procesy v pánvi) •Přísun sedimentu (změny klimatu, tektoniky ve zdrojové oblasti a organické produkce) 21-11a Změny mořské hladiny: Relativní (lokální) Absolutní, eustatické (globální): - Glacieustatické - Termo-tektonické 21-12 PhanerozoicSL Křivka globálních změn mořské hladiny Sequence stratigraphy nSea-level change • •Příčiny změny mořské hladiny (amplituda ~101-102 m) •Tektono-eustatické (časové měřítko 10-100 Myr) •glacioeustatické (časové měřítko 10-100 kyr) •Lokálně tektonické •Hierarchie eustatických cyklů podle periody: •Cykly prvního řádu (108 yr) a druhého řádu (107 yr) (tektono-eustatické) •Cykly třetího řádu (106 yr) (mechanismus ne zcela dobře vysvětlen) •Cykly čtvrtého (105 yr) a pátého (104 yr) řádu (glacioeustatické + termální expanze mořské vody) Accommodation Relativní vs. absolutní hladina moře: vliv subsidence Akomodační prostor a procesy agradace, progradace, retrogradace •Akomodační prostor refers to the space available for deposition (closely connected to relative sea level in shallow marine environments); however, application of this concept to subaerial and deep-sea environments is problematic • •An increase of accommodation is necessary to build and preserve a thick stratigraphic succession; this requires eustatic sea-level rise and/or basin subsidence (i.e., relative sea-level rise), as well as sufficient sediment supply • •The subtle balance between relative sea-level change and sediment supply controls whether aggradation (agradace), regression (regrese, progradace), forced regression (nucená regrese), or transgression (transgrese, retrogradace) will occur 21-2a 21-2b 21-2c 21-2d Erozní báze: •Hladina moře (příbřežní a velmi mělkovodní mořské prostředí) • •Spádová křivka řeky (supratidál, kontinentální prostředí), •Ekvilibrium mezi ukládáním a erozí řeky (agradující a degradující řeka) •vliv změn hladiny moře klesá proti proudu řeky • •Rovnovážný povrch dna moře (sea bottom equilibrium surface) (šelf a hlubší subtidální prostředí) •Ekvilibrium mezi depozicí a mořskou erozí (vlivem vlnění a bouřek) •Vliv změn hladiny moře klesá s hloubkou moře Seismická a sekvenční stratigrafie koncept klinoforem 1951 John L. Rich proposes the concept of clinoforms… …recognition of seismic reflection geometries Ldam3 SeismicOffshore Seismická stratigrafie nReflekční seismické profilování • •Seismic reflection profiling forms the basis of seismic stratigraphy, which in turn has been the foundation for the development of sequence stratigraphy •The technique is based on contrasts in acoustic impedance between different materials; reflections of sound or shock waves occur at transitions between different types of sediment or rock • nv=sonic velocity; r=sediment or rock density Seismic1 Seismic2 SS3-16 QAb7284c Seismické reflektory představují časově ekvivalentní (synchronní) linie A critical assumption of the seismic stratigraphic approach, illustrated in this diagram from Vail et al (1977), is that seismic reflectors follow time surfaces rather than facies impedance boundaries. Note the regional scale of this illustration. Wheelerovy diagramy 1958 Harry Wheeler produced first chronostratigraphic chart QAb7274c Sekvence omezené diskordancemi Original Sequence Stratigraphic Approach (seismic stratigraphy) was based on recognition of unconformity-bound sequences using geometry and termination patterns of seismic reflectors. 1977 Peter Vail and Robert Mitchum co-ordinated the publishing of AAPG Memoir #26 based on the assumption that a seismic relection surface represents a time line Exxonská škola Depoziční sekvence a sekvenční hranice •Depoziční sekvence je stratigrafická jednotka uložená během jednoho cyklu vzestupu a poklesu mořské hladiny, omezená na bázi a na stropu diskordancemi (unconformities) nebo jejich korelativními konkordancemi (correlative conformities) a zahrnuje sled geneticky svázaných facií • •Relativní pokles mořské hladiny má za následek posun pobřežní linie směrem do pánve a s ním související posun facií / depozičníc prostředí; což bývá zpravidla doprovázeno subaerickou plochou eroze, a vznikem diskordance à sekvenční hranice • •Sekvenční hranice jsou klíčové stratigrafické povrchy, které oddělují depoziční sekvence Parasekvence a systémové trakty •Parasekvence jsou sedimentární jednotky vyššího řádu, které jsou omezeny povrchy mořské záplavy, parasekvence mohou vznikat autocyklickými procesy, parasekvence jsou základní stavební kameny depozičních sekvencí •Systémové trakty jsou faciální sledy nebo soustavy parasekvencí, které vznikají v různých fázích cyklu vzestupu a poklesu mořské hladiny a jsou charakterizovány transgresními, progradačními nebo nuceně regresními sledy: •Systémový trakt poklesu hladiny (Falling-stage systems tract, FSST) – nucená regrese •Systémový trakt nízkého stavu (Lowstand systems tract, LST) – normální regrese •Transgresivní systémový trakt (Transgressive systems tract, TST) - trangrese •Systémový trakt vysokého stavu (Highstand systems tract, HST) – normální regrese, agradace Soustavy parasekvencí a typické karotážní křivky n 21-7 Pozice systémových traktů na křivce mořské hladiny Křivka cyklu relativního vzestupu a poklesu mořské hladiny – akomodace (nahoře) Křivka rychlostí vzestupu a poklesu hladiny (dole) Na dolní křivce kombinace rychlosti tvorby akomodace (rate of base-level change) a rychlosti přísunu sedimentu (sedimentation rate) (zelená) definuje oblasti : -Transgrese (tvorba akomodace je kladná a vyšší než rychlost sedimentace) -Normální regrese (LNR, HNR) (tvorba akomodace je kladná a nižší než rychlost sedimentace) -Nucená regrese (FR) (tvorba akomodace je záporná) Zákonitý sled systémových traktů: FSST (nucená regrese) à LST (normální regrese) à TST (transgrese) à HST (normální regrese) - n Sekvenčně-stratigrafické povrchy •Povrch subaerické eroze – diskordance (subaerial erosion, SE) •Bazální povrch nucené regrese (basal surface of forced regression, bsfr) ¨FSST •Korelativní konkordance (correlative conformity (CC) ¨LST •Povrch maximální regrese (maximum regression surface, mrs) ¨TST •Povrch maximální záplavy (maximum flooding surface, mfs) ¨HST •Povrch subaerické eroze – diskordance •Bazální povrch nucené regrese (basal surface of forced regression, bsfr) • • • Sekvenční hranice a systémový trakt nízkého stavu hladiny (LST) nThe unconformity or correlative conformity that bounds a sequence n nCommonly (but not always) represents a significant change in stratal arrangements and therefore reservoir properites n nIn a very general sense, relative sea-level fall leads to reduced deposition and formation of sequence boundaries in updip areas, and increased deposition in downdip settings (e.g., submarine fans) n 21-3 Transgresivní systémový trakt (TST) nBounded below by underlying sequence boundary and above by maximum flooding surface n nGenerally more mounded in geometry n nSets of high-frequency cycles show upward thickening and upward deepening trends 21-3 Povrch maximální záplavy (MFS) nMaximum flooding surfaces (MFS) form during the culmination of sea-level rise n nSurface that marks the turn-around from landward-stepping to seaward stepping strata n nFarther out on platform coincides with the downlap surface (depending on the degree of condensation of clinoform toes) n nRecognition of the MFS is important for separating TST and HST n nRelative sea-level rise will lead to trapping of sediment in the updip areas (e.g., coastal plains) and reduced transfer of sediment to the deep sea (pelagic and hemipelagic deposition; condensed sections) n 21-3 Systémový trakt vysokého stavu hladiny nBounded below by maximum flooding surface and above by overlying sequence boundary n nGenerally shingled or offlapping (clinoformal) stratal geometry n nSets of high-frequency cycles show upward thinning and upward shallowing trends 21-3 VanWagoner2 Fig. 7. Seismic line in the Gulf of Mexico showing different genetic types of deposits (forced regressive, normal regressive, transgressive) and stratigraphic surfaces that may serve as sequence boundaries according to different sequence stratigraphic models (modified from Posamentier and Kolla, 2003). Abbreviations: FR — forced regressive; LNR — lowstand normal regressive; T — transgressive; SU — subaerial unconformity; CC⁎ — correlative conformity sensu Posamentier and Allen, 1999 (=basal surface of forced regression); CC⁎⁎ — correlative conformity sensu Hunt and Tucker, 1992; MRS — maximum regressive surface; MFS — maximum flooding surface. The line displays the typical stacking patterns and stratal terminations associated with forced regression (offlap, downlap, toplap, truncation), normal regression (downlap, topset), and transgression (onlap). Siliciklastické systémy • •Relative sea-level fall: •fluvial incision into offshore (shelf) deposits •usually associated with soil formation (paleovalleys with interfluves) •Relative sea-level rise •filling of paleovalleys, commonly with estuarine or even shallow marine deposits •Submarine fans in the deep sea: •during late highstand and lowstand, when sediments are less easily trapped updip of the shelf break 21-3 Karbonátové systémy nCarbonate environments • •Relative sea-level fall: •development of karstic surfaces (dissolution of limestones) or evaporites (e.g., sabkhas), depending on the climate • •Highstands: •expand the area of the carbonate factory (drowning of shelves) and vertical construction of reefs •accumulation of other carbonates is enhanced • •Extreme rates of relative sea-level rise: •drowning of carbonate platforms 21-5 ClastCarbSeq Problémy sekvenční stratigrafie •Sequence-stratigraphic concepts contain numerous pitfalls! • •Variations in sediment supply can produce stratigraphic products that are very similar to those formed by sea-level change •Sea-level fall does not necessarily always lead to the formation of well-developed sequence boundaries (e.g., fluvial systems do not always respond to sea-level fall by means of incision); sequence boundaries may therefore be very indistinct and difficult to detect •Allogenic incision is easily confused with autogenic scour Chemostratigrafie: izotopy kyslíku d18O nPoměr izotopů 18O a 16O ¨H2O ¨CaCO3 nFrakcionace izotopů kyslíku ¨V důsledku odparu – frakcionace v hydrologickém cyklu ¨Teplotně závislá frakcionace během krystalizace CaCO3 z H2O n Frakcionace 18O/16O v hydrologickém cyklu fractionation nA small fraction of water molecules contain the heavy isotope 18O instead of 16O. n18O/16O ≈ 1/500 n nThis ratio is not constant, but varies over a range of several percent. n nVapor pressure of H218O is lower than that of H216O, thus H216O is more easily evaporated. H2O is evaporated from sea water. The oxygen in the H2O is enriched in the lighter O16. This H2O condenses in clouds,falling on land as precipitation. Thus, H2O that is part of the terrestrial water cycle is enriched in the light O16 isotope and Sea water is enriched in the heavier O18 isotope fractionation Glacial ice is therefore made up primarily of water with the light O16 isotope. This leave the oceans enriched in the heavier O18, or “more positive.” During glacial periods, more O16 is trapped in glacial ice and the oceans become even more enriched in O18. During interglacial periods, O16 melts out of ice and the oceans become less O18 rich, or “more negative” in O18 Klimatický význam frakcionace 18O/16O Zdroj kyslíku při krystalizaci CaCO3: DIC (rozpuštěný anorganický uhlík = CO2 + bikarbonátový ion + karbonátový ion) Frakcionační faktor: RA aA-B = ---------- RB kde R = izotopický poměr 18O/16O RA = minerálu, RB = vody d18O (18O/16O)x - (18O/16O)std d18O (%0) = 1000 x --------------------------------------- (18O/16O)std Kde x = vzorek std = standard Standardy: SMOW – standard mean ocean water PDB – Peedee belemnite, VPDB – Vienna PDB Frakcionace 18O/16O během krystalizace T(oC) = 16,5 – 4,3 (d18Ocarb – d18Ow-AMW) + 0,14(d18Ocarb – d18Ow-AMW)2 d18Ocarb = VPDB d18Ow-AMW = AMW – average marine water Další měřené materiály: nBiogenní aragonit nKalcit foraminifer nSyntetický kalcit nSiO2 – rozsivky nSiO2 v jehlicích hub nFosfát ve schránkách měkkýšů nFosfát v kostech a zubech Rovnice pro výpočet paleoteplot pro biogenní karbonát (měkkýši) (Epstein and Mayeda, 1953) 18O/16O a globální objem ledu nAs ice sheets grow, the water removed from the ocean has lower d18O than the water that remains. nThus the d18O value of sea water in the global ocean is linearly correlated with ice volume (larger d18O → larger ice sheets). nA time series of global ocean d18O is equivalent to a time series of ice volume. Záznam izotopů kyslíku v mořských sedimentech za posledních 700 tisíc let 75 ka Vrtné projekty DSDP a ODP Pelagické sedimenty, cca konstantní rychlost sedimentace, datování 18O v schránkách plaktonních foraminifer (CaCO3) Časové řady MIS nMořské izotopové stupně nPleistocén – pliocén nSnižování hodnot v průběhu plio-pleistocénu C:\Users\Ondra\Desktop\metody1.jpeg Five_Myr_Climate_Change 65_Myr_Climate_Change nPaleogén – neogén nPaleocén-eocenní termální maximum (PETM) nEocenní klimatické optimum nMiocenní klimatické optimum nGlaciace antarktidy nStřídání glaciálů a interglaciálů C:\Users\Ondra\Desktop\metody3.jpeg nPaleozoikum: n nKřivky d18O: ¨brachiopodů (kalcit) (vlevo) ¨Konodontů (apatit) (vpravo) Phanerozoic_Climate_Change Chemostratigrafie: stratigrafie izotopů stroncia (SIS) nMetoda stratigrafické korelace a číselného datování n nPoměr izotopů 87Sr/86Sr nChemicky – biochemicky srážené minerály (kalcit): začlenění Sr do krystalové mřížky nMořské prostředí (v kontinentálním prostředí lokální vlivy) nForaminifery, belemniti, brachiopodi, čistá psací křída nPoměr 87Sr/86Sr je v moderních oceánech a mořích homogenní nDalší geologické informace z 87Sr/86Sr křivek str Původ stroncia v mořské vodě n Zdroje: nHydrotermální cirkulace na středooceánských hřbetech (plášť) nPřísun z kontinentu řekami (kontinentální kůra) nAdvekce stroncia z pórových vod během rekrystalizace karbonátů n n n Časová variabilita: nZměny v množství přísunu z těchto tří zdrojů nZměny v izotopickém poměru z pórových vod a v řekách n str Analytické metody: spolehlivost materiálu str Doklady pro zachování původní struktury schránek: nA – B: psací křída, zachované schránky kokolitek indikují nízký stupeň rekrystalizace nC – D: Vnitřní vrstevnatá struktura kalcitu ústřice rodu Pycnodonte, hranice K/T nE – F: foraminifera r. Pseudotextularia (křída) n 87Sr/86Sr křivky: nRelativní datování (stejné hodnoty v různých obdobích) nČíselné datování: kombinace s jinými stratigrafickými metodami (bio-, magneto-stratigrafie atd.) n n Metody prezentace dat: n87Sr/86Sr nd87Sr: n 87Sr/86Sr(standard) – 87Sr/86/Sr(vzorek) x 105 n ¨Standard: Modern Seawater Strontium (MSS): 0,709175 n str str Stratigrafická korelace nKorelace stratigrafických úrovní se stejnými hodnotami 87Sr/86Sr nKorelační hodnota 0,7077 Číselné datování str str nHodnoty SIS – číselné vyjádření stáří nStatistické zpracování globálních dat nDoplňková číselná metoda str nSynchronita a diachronita biostratigrafických zón podle číselného datování pomocí SIS nLokality z pelagických sedimentů světového oceánu: ¨filipínská pánev ¨Tasmanovo moře ¨rovníkový pacifik ¨centrální severní atlantik ¨jižní atlantik n nSynchronní zóny: ¨Globigerinoides primordius nDiachronní zóny: ¨Globigerina ampliapertura n nPosun řádově 2 – 3 myr Číselné datování str Limity SIS str nLimity číselného datování doprovodných metod n nLOWESS fit: vyhlazení křivky pomocí lokální regresní funkce nSpolehlivost: 2 směrodatné odchylky od vyhlazené křivky n nStatistická chyba – šířka oblasti spolehlivosti n nChyba měření (jednotlivé datové body) řádově 4 – 6 myr n n Pomalá změna: velká chyba Rychlá změna: malá chyba C:\Users\Ondra\Desktop\metody7.jpeg nPoloviční šířka intervalu spolehlivosti na úrovni 95 % (vzdálenost od vyhlazené křivky) pro celé fanerozoikum (A) n nRychlost změny 87Sr/86Sr à potenciální rozlišení (přesnost) SIS metody v myr (B) Limity SIS C:\Users\Ondra\Desktop\metody8.jpeg SIS data pro paleozoikum Chemostratigrafie: stratigrafie izotopů uhlíku C:\Users\Ondra\Desktop\metody4.jpeg nMetoda stratigrafické korelace n nPoměr izotopů 13C / 12C, který je ovlivněn globálním cyklem uhlíku n nFrakcionace izotopů během fotosyntézy: organická hmota je ochuzená o 13C – nízké hodnoty d13C n nPohřbení organické hmoty (mořská anoxie) à vzrůst hodnoty d13C v globálním cyklu n nIntervaly oceánské anoxie, paleoklimatické interpretace Izotopické složení zdrojů uhlíku v globálním uhlíkovém cyklu n C:\Users\Ondra\Desktop\metody6.jpeg n C:\Users\Ondra\Desktop\metody5.jpeg MAGNETOSTRATIGRAFIE Původ zemského magnetismu nPůvod zemského magnetismu: vnější jádro Země. nFeromagnetické látky ztrácejí své magnetické schopnosti již při teplotě okolo 500 st. C (Curieův bod) a teplota v zemském jádře přesahuje 4000 st. C, nemůže být jádro permanentním magnetem. nVysvětlení : Teorie hydromagnetického dynama (první polovina 20. století) nSeismologická měření: vnější jádro Země je kapalné, je tvořeno proudícími elektricky vodivými látkami nFaradayův zákon magnetické indukce: pohyb vodiče v elektrickém poli indukuje magnetické pole a naopak -- v našem případě proudění vodivých látek ve vnějším jádře indukuje magnetické pole Země. obecgeol2 skenovat0001 Magnetická inklinace a deklinace sejmout0005 sejmout0002 sejmout0001 Magnetometrie, magnetometrické veličiny a jednotky sejmout0006 Remanentní magnetizace nRemanentní magnetismus – zbytkový magnetismus nNositelé magnetismu v horninách: minerály Fe: ¨Oxidy, hydroxidy, sulfidy Fe: (titanomagnetit, ilmenohematit, maghemit – gFe2O3, hematit aFe2O3), goethit, spontánní magnetizace magnetitu cca 200x vyšší než u hematitu ¨Fylosilikáty Fe, amfiboly a pyroxeny – indukovaný magnetismus v aktuálním magnetickém poli, nejsou nositeli remanentního magnetismu nBlocking temperature Magnetizace hornin TTermoremanentní magnetizace (TRM) TCurrie Point – Below which the igneous rock’s magnetic record is fixed TEffective on lava flows and baked clays at archaeological sites TDetritická remanentní magnetizace (DRM) TMagnetic particles become aligned with the ambient magnetic field as they settle through the water column TPostdepoziční magnetizace TBased on the water content for some sediments, they may take on their magnetic characteristic after deposition TChemická remanentní magnetizace (CRM) TPost-Depositional magnetization due to chemical changes in magnetic minerals TViskózní remanentní magnetizace (VRM) T Přirozená remanentní magnetizace nPrimární magnetizace nSekundární magnetizace nBěžně více fází magnetizace: posloupnost magnetizací nSekundární magnetizace: deformační fáze (orogeneze), hydrotermální a diagenetické procesy, metamorfóza, zvětrávání Primární a sekundární magnetizace: testy Fold test (vrásový test) – magnetizace před a po vrásnění Baked contact test Test na kontaktní přeměnu (magnetizace před a po kontakní metamorfóze) Conglomerate test Konglomerátový test (stejná / různá magnetizace v klastech a matrix konglomerátu) sejmout0008 Demagnetizace nSeparace různých komponent remanentního magnetismu s různými blokovacími teplotami nMagnetometry Magnetická polarita sejmout0004 Změny magnetického pole sejmout0003 Změny orientace magnetického pole nCelá řada hornin je samovolně magnetizovatelná - feromagnetické minerály se orientují souhlasně se siločarami zemského magnetického pole a vytvářejí tak vlastní magnetická pole. n nMěřením zbytkových magnetických polí změny magnetického pole Země. n nZměny – intenzita, deklinace, přepólování n nobdobí normální magnetické polarity (severní magnetický pól u severního pólu rotace) n nObdobí reverzní magnetické polarity (severní magnetický pól poblíž jižního pólu rotace). n nPoslední přepólování : 790 000 let, kdy se změnila polarita z reverzní na normální (dnešní). n nZákladní jednotka: chron, kratší výkyv: subchron obecgeol7 obecgeol6 obecgeol2 Sea-floor spreading n sejmout0015 Sea-floor spreading sejmout0016 Magnetostratigrafie nOrientace virtuálního magnetického pólu nMagnetické data vulkanických hornin nNezávislá kontrola radiometrickým datováním n nC-sekvence (kenozoikum), oceánská kůra jižního Atlantiku, vzdálenost od spreadingového centra n nM-sekvence (jura - křída), oceánská kůra Pacifiku, vzdálenost od havajského vulkanického centra sejmout0010 nMagnetostratigrafické / geochronologické jednotky: ¨Zóna polarity / chron ¨Subzóna polarity / subchron ¨Přechodné zóny ¨výkyvy H:\Výuka\Prednasky\metody_stratigrafie\timsecale2.jpeg H:\Výuka\Prednasky\metody_stratigrafie\timsecale3.jpeg Magneto-stratigrafické jednotky plio-pleistocénu Magnetic Timescale Vývoj magnetostratigrafické škály sejmout0009 Magnetostratigrafické jednotky C-sekvence sejmout0017 Chrony nBrunhes – Gilbert (pliocén – kvartér) chrony č. C1 – C4 nDále vzestupné číslování (C5 – …) Anomálie nVzestupné číslování v rámci chronu (1, 2 – ..) r (reverzní) / n (normální) n Příklady nC1N (Brunhes) nC1r1r (Matuyama) nC1r1n (Jaramillo) nC1r2r nC1r2n (Cobb Mt.) nC1r3r nC2n (Olduvai) nC2r1r nC2r1n (Reunion) n n n C-sekvence, jižní Atlantik, systematika jednotek, vzdálenosti od spreadingového centra, časová kalibrace (zpr. orbitální ladění) n H:\Výuka\Prednasky\metody_stratigrafie\timsecale1.jpeg Věkový model C-sekvence: rychlosti rozpínání jižního Atlantiku H:\Výuka\Prednasky\metody_stratigrafie\timsecale4.jpeg H:\Výuka\Prednasky\metody_stratigrafie\timsecale6.jpeg M-sekvence, Pacifik, systematika jednotek, vzdálenosti od havajského spreadingového centra, časová kalibrace Magnetostratigrafická korelace sejmout0012 sejmout0014 sejmout0013 Magnetostratigrafická korelace, extenze magnetostratigrafické škály kalibrace pomocí biostratigrafie Magnetostratigrafická korelace K/T boundary GSSP definované na zákaldě magnetostratigrafie: báze akvitánu (neogén) báze chronu C6Cn.2n sejmout0020 Problémy paleomagnetismu TDRM is not instantaneous TSediments are subject to bioturbation (especially effecting post-depositional DRM) TOverturned sediment may give false excursions TPost-Depositional magnetic changes due to chemical recrystallization T Metody číselného datování n absolute age (numerical) • natural clock is necessary --radiometric dating (nuclear clock: decay of radioactive isotopes) --dendrochrolonology --fission-track dating --varve chronology --lichenometry --surface-exposure dating radioactive isotopes: have nuclei that spontaneously decay by emitting or capturing subatomic particles parent: decaying radioactive isotope daughter: decay daughter daughter parent loss or gain Radiometrické datování 3 primary ways of decay alpha decay beta decay electron capture particle has 2 neutrons and 2 protons breakdown of neutron into an electron and a proton and loss of the electron to leave a proton (result is gain of one proton) capture of an electron by a proton and change of proton to neutron (result is loss of proton) U238 Th234 92 protons 90 protons K40 Ca40 19 protons 20 protons K40 Ar40 19 protons 18 protons •uses continuous decay to measure time since rock’s formation •as minerals crystallize in magma; they may trap atoms of radioactive isotopes in their crystal structures •…will begin to decay immediately and continuously… •as time passes, rock will contain less parent and more daughter POLOČAS ROZPADU (t) amount of time it takes for half the atoms of the parent isotope to decay is the isotope’s half-life ROZPADOVÁ KONSTANTA (l) Rychlost, jakou se mateřský izotop rozpadá na dceřinný izotop Stanovuje se laboratorně Radiometrické datování predictable ratios at each half-life: exponential decay (half always remains) exponential decay: never goes to zero 87Rb b– 87Sr Radioaktivní rozpad a radiogenní izotopy n“Radiogenic” isotope ratios are functions of both time and parent/daughter ratios. They can help infer the chemical evolution of the Earth. n nRadioactive decay schemes ¨87Rb-87Sr t: 4,88 Ma l: 1,42 x 10-11 (let-1) ¨147Sm-143Nd t: 108 Ga l: 6,54 x 10-12 (let-1) ¨238U-206Pb t: 4.468 Ma l: 1,551 x 10-10 (let-1) ¨235U-207Pb t: 704 Ma l: 9,848 x 10-10 (let-1) ¨232Th-208Pb t: 14 Ga l: 4,947 x 10-11 (let-1) n n n n n“Extinct” radionuclides ¨“Extinct” radionuclides have half-lives too short to survive 4.55 Ga, but were present in the early solar system. Základní předpoklady geochronologie nRozpad je v průběhu času konstantní. ¨good reasons to believe this is correct from nuclear physics ¨measurements of decay sequences in ancient supernovae yield the same values as modern lab measurements. ¨ nSystém zůstává uzavřený vzhledem k mateřským a dceřinným izotopům ¨To závisí na izotopickém systému a typu měřené horniny (minerálu) ¨Pro správnou interpretaci výsledků je nutná pečlivá příprava vzorku a důkladná charakteristika vstupního materiálu n n ¨ Pro datování jsou nejvhodnější vyvřelé horniny Metamorfóza může způsobit ztrátu dceřinných produků Datování sedimentů udává věk zdrojových hornin Příprava vzorku a analýza nHmotnostní spektrometrie: měří koncentrace specifických nuklidů na základě jejich atomové hmotnosti. ¨technique requires ionization of the atomic species of interest and acceleration through a strong magnetic field to cause separation between closely similar masses (e.g. 87Sr and 86Sr). …count individual particles using electronic detectors... ¨TIMS: thermal ionization mass spectrometry ¨SIMS: secondary ionization mass spectrometry - bombard target with heavy ions or use a laser nPříprava vzorku pro TIMS ¨Rozpuštění vzorku v HF, HNO3, příprava rozpustného chloridu , další separace na Rb a Sr ¨Rozpuštění a evaporace chloridu Sr a Rb na kovovém (wolfram, rhenium) vlákně spektrometru ¨Zahřívání a ionizace vlákna ve spektrometru n Clean Lab - Chemical Preparation http://www.es.ucsc.edu/images/clean_lab_c.jpg Thermal Ionization Mass Spectrometer (TIMS) From: http://www.es.ucsc.edu/images/vgms_c.jpg Metoda 87Rb/87Sr n“whole rock“ analysis nParciální krystalizace: nárůst koncentrace Rb a Sr ve zbytkové tavenině nPlagioklas uzavírá Sr v krystalové mřížce, avšak ne Rb nRůzné poměry Rb/Sr v různých krystalových jedincích str 87Rb 87Sr Rb-Sr izochrona str str nRovnice: n87Sr/86Srm = 87Rb/86Srm (elt – 1) + 87Sr/86Sri (R0 = initial ratio) n ny = ax + b ¨kde a = sklon přímky b = průsečík s osou y ¨t = 1/l x ln(sklon + 1) n n Stáří růstu jednotlivých minerálů nMetamorfóza vyvřelých hornin nPři zahřátí: difůze Sr a Rb, izotopická homogenizace nPo zchlazení: zastavení difůze a nastavení „hodin“ nIontové poměry v hornině stálé – stáří „whole rock“ jsou platná n„blokovací teplota“ minerálů n n str Whole rock vs. single grain ages Příklad: str str Uranium 238 Decay Scheme (several steps) to stable Lead 206 Lutetium – hafnium method: 176Lu/176Hf str Metoda radiouhlíku nOrganická hmota, poločas rozpadu 5700 let, použití: holocén, svrchní pleistocén n n14N -> 14C, nfixace 14C do organické hmoty n14C -> 14N n n n kde n = neutron; p = proton n radioactive_decay5 File:Carbon 14 formation and decay.svg n + \mathrm{^{14}_{7}N^+} \rightarrow \mathrm{^{14}_{6}C} + p half-lives of previous are too long to date rocks < 100,000 years old C-14 has half-life of 5,730 years (changes to N-14) …date material from 100 to 70,000 years old C-14 combines with O to form carbon dioxide (CO2) along with the stable isotope of carbon, C-12 some CO2 with C-14 dissolved in oceans, lakes, etc. where organisms drink the water and plants remove it directly from the atmosphere N = N_0e^{-\lambda t}\, Výpočet stáří Kde N0 = počet atomů 14C v čase 0 N = počet atomů 14C po uplynutí času t (měřený vzorek) 8267 = mean life e = Eulerova konstanta l = rozpadová konstanta t = čas t = 8267 \cdot \ln(N_0/N) a note regarding C-14…. C-14 forms naturally by cosmic ray bombardment of nitrogen when C-14 is combined with other techniques, …a systematic error is noted that results from changes in cosmic-ray bombardment in the past (this varies with solar-energy output and Earth’s magnetic field) dates either are corrected by comparison to another technique (i.e. dendrochronology) or are reported in C-14 years some items dated by C-14 • cloth wrapped around Dead Sea Scrolls: 2000-2200 years • papyrus from ancient Egypt: 2100 years old File:Radiocarbon bomb spike.svg Spalování fosilních paliv (uhlí) à naředění poměru 14C/12C Datování objektu z počátku 20. století proto dává zdánlivě starší věk Koncentrace 14C v okolí velkých měst jsou nižší, než je průměr v atmosféře Celkové snížení aktivity 14C v důsledku „fossil fuel effect (Suess effect)“ cca 3% Nadzemní testování jaderných zbraní -Produkce velkého počtu neutronů, které vedou k tvorbě 14C -Několik tun 14C bylo antropogenně generováno mezi lety 1950 a 1963 -Okamžité dvojnásobení poměru 14C/12C, vrchol cca v roce 1965 Atmospheric 14C, New Zealand (southern hemisphere) and Austria (northern hemisphere) Atmospheric nuclear weapon tests almost doubled the concentration of 14C in the Northern Hemisphere. The date the Partial Test Ban Treaty (PTBT) went into effect is marked on the graph Kolísání 14C/12C v atmosféře File:Radiocarbon Date Calibration Curve.svg Kalibrovaný vs. nekalibrovaný věk Vypočtený věk zpravidla neodpovídá pravému stáří, Zdroje chyb: Kolísání intenzity kosmického bombardování, frakcionace 14C v různých rezervoárech (organická hmota, oceány, sedimenty, změny klimatu a frakcionace 13C/12C Kalibrační křivka, nekalibrovaný výpočet stáří je podhodnocen (15 000 14C yr BP à 18 000 cal yr BP) other absolute-dating techniques: • fission-track dating …division of radioactive atom’s nucleus into 2 pieces of approximately equal size… …when this happens, the particles move at high speeds and leave behind tears in crysal called fission tracks.. …can count number of fission tracks to determine age… …tracks are erased at temperatures > 250°C… Metoda štěpných stop (fission track) radioactive_decay6 • dendrochronology (tree-ring dating) annual growth of trees produces concentric rings …dates back to 9000 years are possible… photo © H.D. Grissino-Mayer Dendrochronologie nProces: růst letokruhů dřeva nDoba cyklu: 1 rok (sezónní přírůstek) nPoužití: do – 5 000 let dating10 • varve chronology varves: paired layers of sediment 1) thick, light, coarse layer from summer 2) thin, dark, fine layer from winter …common in glacial lackes that have large inflow of water in summer and freeze in winter… …count pairs to determine age (drill cores in sediment) VARVE CHRONOLOGY Lakes can produce annual layers. Usually occur in glacial lakes or those that freeze over in winter. Coarser sediments are deposited in summer. Winter-summer layers are called COUPLETS. Couplets in lakes are known as VARVES. Count the couplets back from the sediment surface to determine numerical age. OTHER NUMERICAL DATING TECHNIQUES VARVE CHRONOLOGY proglacial varves varves2 OTHER NUMERICAL DATING TECHNIQUES RTG densitometrie varvitů Uses of varve chronology (1) nPatterns of deglaciation ¨Used extensively in both Scandinavia and North America as a means of dating the deglaciation of major ice sheets. ¨Varve sequences in different lakes can be linked on the basis of relative thicknesses of particular annual layers (e.g. thicker layers in warmer years). ¨Comparison of varve chronology with dates from other methods on the same sediments (e.g. 14C) can improve confidence in dating framework. nVarves in other sediment systems ¨Rhythmic sediments exist in other sediment systems. ¨Sedimentation and biological activity can show seasonal patterns in many lakes and can result in annual sediment layers. ¨E.g. diatom blooms during spring/summer can produce organic varves in some lake sediments. n Deglaciace Skandinávie Uses of varve chronology (2) nCalibration of 14C timescale ¨Where varves have a significant organic component, comparisons can be made between the varve chronology and a 14C chronology. ¨E.g. Wolfarth et al., (1993); Boreas, 22, 113-128. Comparison of varve (calendar) years and 14C years shows possible calibration errors in the 14C method. nDuration of particular ‘events’ ¨e.g. Younger Dryas (Loch Lomond Stadial) event in Europe estimated to have lasted c. 1140 +/- 20 years in Poland on the basis of varve chronology. ¨Same event represented by between 900 and 1000 varves in Sweden. n LICHENOMETRY Lichens are plant-like organisms that grow on rocks. Grow at a measurable rate. By measuring size on items of known date, the size is plotted against size on unknown aged objects. Good for the last 9000 years. lichens OTHER NUMERICAL DATING TECHNIQUES LICHENOMETRY lichens3 lichens4 Lichens2 OTHER NUMERICAL DATING TECHNIQUES Rhizocarpon geographicum, Norsko Lichenometry Picture Lichenometry Dating Curve • surface exposure dating …designed to measure when surfaces are first exposed… cosmogenic isotopes: those that are produced in small quantities in surface exposures from cosmic-ray bombardment …intergalactic radiation, predominantly neutrons, hits atoms and converts them into cosmogenic isotopes Si, Mg, Fe, Al……convert to beryllium 10 K, Ca, Cl……convert to chlorine 36 Be-10 and Cl-36 then also decay into daughter products 10Be has t1/2 of ~ 300,000 years. 36Cl has t1/2 of ~ 1.5 million years. Fills the gap between 14C and K-Ar. …much more complicated than radiogenic methods… --parent material is continuously produced (must know production rate)-- --erosion may remove material-- --very small amounts present to be measured-- OSL Optically stimulated luminescence nConditions and accuracy nAges can be determined typically from 300 to 100,000 years BP, and can be reliable when suitable methods are used and proper checks are done. Ages can be obtained outside this range, but they should be regarded with caution. The accuracy obtainable under optimum circumstances is about 5%. n nThe optical dating method relies on the assumption that the mineral grains were sufficiently exposed to sunlight before they were buried. This is usually, but not always, the case with Eolian deposits, such as sand dunes and loess, and some water-laid deposits. n nAll sediments and soils contain trace amounts of radioactive isotopes including uranium, thorium, rubidium and potassium. These slowly decay over time and the ionizing radiation they produce is absorbed by other constituents of the soil sediments such as quartz and feldspar. The resulting radiation damage within these minerals remains as structurally unstable electron traps within the mineral grains. Stimulating samples using either blue, green or infrared light causes a luminescence signal to be emitted as the stored unstable electron energy is released, the intensity of which varies depending on the amount of radiation absorbed during burial. The radiation damage accumulates at a rate over time determined by the amount of radioactive elements in the sample. Exposure to sunlight resets the luminescence signal and so the time period since the soil was buried can be calculated. OSL nPhysics nOptical dating is one of several techniques in which an age is calculated as follows: (age) = (total absorbed radiation dose) / (radiation dose rate). The radiation dose rate is calculated from measurements of the radioactive elements (K, U, Th and Rb) within the sample and its surroundings and the radiation dose rate from cosmic rays. The dose rate is usually in the range 0.5 - 5 grays/1000 years. The total absorbed radiation dose is determined by exciting specific minerals (usually quartz or feldspar) extracted from the sample with light and measuring the light emitted as a result. The photons of the emitted light must have higher energies than the excitation photons in order to avoid measurement of ordinary photoluminescence. A sample in which the mineral grains have all been exposed to at least a few seconds of daylight can be said to be of zero age; when excited it will not emit any such photons. The older the sample is, the more light it emits. nOSL n DATING n image002 nDolní n Věstonice nOSL dating n alluvialHan alluvial_fan08 moraine Moraine Alluvial fan OTHER NUMERICAL DATING TECHNIQUES Datování 137Cs n137Cs: antropogenní izotop, vzniká jako produkt umělých radioaktivních rozpadů (jaderné elektrárny, jaderné výbuchy) n nČernobyl 1986 nPacific nuclear weapon tests 1960-61 relative and absolute dates combined Chronostratigrafie (globální standardní stratigrafie) nintegruje data ze stratigrafických metod nstandard pro globální stratigrafickou korelaci ndělení horninového záznamu na časově-horninové jednotky – chronostratigrafické jednotky nHistorické hledisko Stratigraphic tool kit nVytvoření sekvence ¨Sled „událostí“ ¨Časové nástroje ¨ nInterpretace záznamu sejmout Fossil study tools Chronostratigrafie: historie nDefinice prvních útvarů: 19. stol n nNázvy: geografické (devon, perm), etnografické (silur, ordovik), časové (trias, terciér), litologické (křída, karbon), na základě litologie, později smíšení s biostratigrafií a časovým významem jednotek – zmatek n n1941: definice časově-horninových jednotek (Schenck and Muller 1941) n nAmerican Code of Stratigraphic Nomenclature (1970) n nInternational Stratigraphic Guide (Hedberg 1976, 1967): n Chronostratigraphic units are „bounded by isochronous surfaces“ n n1972: definice prvního mezinárodního hraničního stratotypu: kopec Klonk, Barandién, stanovení kritérií pro výběr hranic jednotek n nStanovení „golden spike“ (zlatý hřeb) – geometricky nekonečně malý bod na profilu, který určuje stanovenou hranici n nZásady České stratigrafické klasifikace (3. vydání), Chlupáč I, Štorch P (1997). Věst. Čes. Geol. Úst, 72(2), 193-204 Časové vztahy mezi chronostratigrafickými, litostratigrafickými a biostratigrafickými jednotkami chronostratigrafie1 Hierarchie chronostratigrafických jednotek eon era perioda epocha věk chron nvšechny vrstvy (horniny) na celém světě vznikly v daném časovém intervalu nČasově-horninové jednotky (chronostratigrafické jednotky) nČasové vyjádření (geochronologické jednotky) Hierarchie chronostratigrafických jednotek nSTUPEŇ (STAGE) n n2 – 10 mil. let, časové vyjádření: věk (age) nTeoreticky aplikovatelný celosvětově (ICS), někdy pouze regionální platnost nInterregionální korelace nDefinován stratotypy spodní a svrchní hranice nMořské sedimenty, nepřerušený sled, faciálně monotónní, význačné horizonty (biozóny) –možnost široké korelace nNázev: geografický, historické aspekty Hierarchie chronostratigrafických jednotek nODDĚLENÍ (SERIES) n n13 – 35 mil. let, časové vyjádření: epocha (epoch) nSoučástí útvaru (2 – 6 oddělení v útvaru) naplikovatelné celosvětově (ICS), nspodní hranice definována spodní hranicí nejnižšího stupně nHorní hranice definována horní hranicí nejvyššího stupně nNázev: spodní (Lower), střední (Middle), svrchní (Upper), geografický, historické aspekty Hierarchie chronostratigrafických jednotek nÚTVAR (SYSTEM) n n30 – 80 mil. let (s výjimkou kvartéru), časové vyjádření: perioda (period) nChronostratigrafické jednotky s celosvětovou platností nSoučástí útvaru (2 – 6 oddělení v útvaru) naplikovatelné celosvětově (ICS), nspodní hranice definována spodní hranicí nejnižšího stupně nHorní hranice definována horní hranicí nejvyššího stupně nNázev: význam geografický, etnografický, litologický, časový, historické názvy Hierarchie chronostratigrafických jednotek nERATEM (ERATHEM) n nčasové vyjádření: éra nspodní hranice definována spodní hranicí nejnižšího stupně nhorní hranice definována horní hranicí nejvyššího stupně nNázev: historické názvy, hlavní změny ve vývoji života n nEONOTEM (EONOTHEM) n nčasové vyjádření: eon nNázev: historické názvy, hlavní změny ve vývoji života n Hierarchie chronostratigrafických jednotek nCHRONOZÓNA (CHRONOZONE) n nSoubor hornin vzniklý kdekoli na světě v daném časovém intervalu, který odpovídá jiné formální stratigrafické jednotce (biozóně, zóně magnetické polarity, apod) nČasové vyjádření: chron nNení jednoznačně přijímáno, rozpory Adjektiva: n Čeština nSpodní, střední, svrchní n n Angličtina: nČasově - horninové jednotky: Lower, Middle, Upper ¨Lower Carboniferous limestones, Upper Famennian conodonts ¨ nČasové (nehmotné) určení: Early, Middle, Late ¨Late Triassic climatic changes, Late Proterozoic orogenic phase, foraminifers of Late Cretaceous age table1 GSSP Báze Přídolí (svrchní silur) Dalejské údolí, Praha, ČR Biostratigrafická data FAD Neocolonograptus parultimus GSSP Báze stupně dan (K/T) (křída / paleogén) El Kef, Tunisko Chemostratigrafická data Iridiová anomálie, tektity GSSP Báze akvitánu (oligocén / miocén) Lemme Carrosio, Itálie Magnetostratigrafická data Báze chronu magnetické polarity C6Cn.2n GSSP Báze stupně Piacenz (pliocén, neogén) Punta Piccola, Sicílie Orbitální ladění Výkyv precese č. 344 od dneška Poblíž hranice Gauss / Gilbert GSSP Báze Holocénu (kvartér) Ledovcové vrtné jádro NGRIP, Grónsko, hloubka 1492,45 m Chemostratigrafická data d18O