Jeokimya Jeokimya Yeryuvarı - 1 BÖLÜM 5: YERYUVARININ BİLEŞİMİ Konular ? Giriş ? Kimyasal bileşim ?Çekirdek ?Manto ?Kabuk ? Sonuçlar ? Kısa SorularBÖLÜM 5: GİRİŞ Yeryuvarının üst kısmı (okyanusal veya kıtasal kabuğu) için doğrudan veriler elde etmek mümkündür. Ancak, bu doğrudan verileri, yeryuvarının çok daha derin kesimlerinden elde etmek o kadar kolay değildir. Bu nedenle, yeryuvarı hakkında daha açıklayıcı bilgiler için dolaylı verilere ihtiyaç vardır. Özellikle sismoloji bu verilerin elde edilmesinde büyük rol oynamıştır. Zira günümüz imkanlarıyla kıtalarda ancak 15 km, okyanuslarda ise sadece bir kaç km’lik bir derinlikte sondaj yapılabilmektedir .BÖLÜM 5: GİRİŞ Sismoloji, açılan bir kuyu içerisinde yapılan bir patlatma ile oluşan dalgaların yerin derinliklerinde yayılması ve yansımanın patlatma noktasından daha uzaklarda dikilen algılayıcılarla ölçülmesine dayanır. Bu tür patlatmalar esnasında üç tür jeofiziksel dalga söz konusudur: P,S,L P ve S dalgaları yerin derinliklerine doğru hareket eder, L dalgaları yanal olarak yayılır P dalgaları hem katı hem de sıvı ortamda yayılabilir S dalgaları sadece katı ortamda yayılabilir Önemli jeolojik değişiklik zonlarında P ve S dalgalarının yansıma şekli değişir. Bu durum yeryuvarında farklı özellikteki zonların belirlenmesine yardımcı olur.Yeryuvarının tüm derinliği boyunca üç ana sismik süreksizlik zonu vardır: 1. Kabuk manto geçişinde gözlenen Mohoroviçiç süreksizliği (okyanusal kabuklar altında 10-12 km derinlikte, kıtasal ortamlarda 30-50 km derinlikte). Moho, P dalga yayılma hızları 6-7 km/sn olan kayaçları, 8 km/sn olan kayaçlardan ayırır. 2. 2900 km derinlikteki manto-çekirdek geçişi 3. 5200 km’de çekirdek zonunda gözlenen ve çekirdeğin birbirinden farklı iki alt zona ayrıldığını gösteren süreksizlık zonu. oğunluk (g/cm 3 ) KABUK İÇ ÇEKİRDEK Astenosfer Derinlik (km) Katı metal Sıvı metal (Fe + Ni ve Si) Yoğun oksitler ? Periklas (MgO) Stişovit (SiO 2 ) Silikatlar Ultramafik kayaçlar Mafik kayaçların yoğun polimorfları ÜST MANTO ALT MANTO DIŞ ÇEKİRDEK 6370 5200 2900 700 200 30 0 13.6 12,3 13,3 2,90 3.3 4,3 5,5 10.0 BÖLÜM 5: GİRİŞB ö l ü m A t m o s f e r K a b u k Manto Ç e k i r d e k D ı ş İ ç K a l ı n l ı k 17 2880 3470 Y o ğ u n l . 2,8 4,5 11 O r a n 0,00009 0,5 67,2 30 2 B i l e ş e n N 2 , O 2 Silikat, kompleks oksitler Mg silikat. Fe, S (sıvı) Fe,Ni (katı) Sonuç olarak: sismik verilere göre yeryuvarı kabuk, manto, ergimiş haldeki dış çekirdek ve katı halde bulunan iç çekirdek olmak üzere dört ana zondan oluşur. BÖLÜM 5: GİRİŞBÖLÜM 5: Kimyasal Bileşim Doğrudan örneklenebilecek bölümler kabuk, hidrosfer ve atmosferdir. Bu üç bölüm de yeryuvarının tüm kütlesinin sadece % 1’den az bir kısmını oluşturur. Bu nedenle yeryuvarının geneline ait bir kimyasal bileşim elde edebilmek için direkt olmayan yöntemler kullanılmaktadır. ?Yeryuvarının her bir bölümüne ait bir ortalama kimyasal bileşim elde etmeye çalışmak ve bu sonuçları temsil ettikleri bölümlerin toplam kütlelerine göre ağırlıklı ortalamalarını alarak birleştirmek: Jeofiziksel veriler gereklidir. BÖLÜM 5: Kimyasal Bileşim Doğrudan örneklenebilecek bölümler kabuk, hidrosfer ve atmosferdir. Bu üç bölüm de yeryuvarının tüm kütlesinin sadece % 1’den az bir kısmını oluşturur. Bu nedenle yeryuvarının geneline ait bir kimyasal bileşim elde edebilmek için direkt olmayan yöntemler kullanılmaktadır. ?Yeryuvarını oluşturan maddenin kaynağını belirleyerek, bu kaynağın kimyasal bileşimini tespit etmek ve böylece yeryuvarının ortalama kimyasal bileşimini ortaya koymaya çalışmak: Yeryuvarı içinde uçucu olmayan elementlerin bileşimi güneş veya meteoritlerdeki bileşimlerine yakındır. Manto başlıca garnet peridotitten, çekirdek ise az oranda troilit ile karışık demirli meteoritten müteşekkil olduğu varsayılarak, yeryuvarının kimyasal bileşiminin ortalama meteorit bileşiminde, özellikle kondiritik meteorit (C tip) bileşiminde olduğu belirlenmiştir. Farklılık sadece Na ve K içeriğindedir.BÖLÜM 5: Kimyasal Bileşim 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Atom Numarası -4 -2 0 2 4 6 8 10 Göreceli bolluk derecesi (log10) H He Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Cs Ba La Ce Nd Sm Eu Gd Dy Er Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Th U Yeryuvarının ortalama kimyasal bileşimi Özet olarak yeryuvarının yapısında en bol bulunan elementler şunlardır: Fe (% 35,87), O (28,50), Si (14,34), Mg (% 13,21), Ni (%2,04), S (1,84), Ca (1,93) ve Al (1,77). Bu sekiz element yeryuvarının % 99,50’sini oluşturur. Na, Cr, Mn, Co, P , K ve Ti diğer önemli bileşenlerdir. BÖLÜM 5: Çekirdek Çekirdek: 2900-6370 km arasındadır. 2900-5200 km: dış çekirek; d=10-12,3 g/cm 3 5200-6370 km: iç çekirdek; d=13,3-13,6 g/cm 3 Ulaşılması imkansız. Yani dolaylı veriler kullanılmalı: Meteoritler Yoğunluk (g/cm 3 ) KABUK İÇ ÇEKİRDEK Astenosfer Derinlik (km) Katı metal Sıvı metal (Fe + Ni ve Si) Yoğun oksitler ? Periklas (MgO) Stişovit (SiO 2 ) Silikatlar Ultramafik kayaçlar Mafik kayaçların yoğun polimorfları ÜST MANTO AL T MANTO DIŞ ÇEKİRDEK 6370 5200 2900 700 200 30 0 13.6 12,3 13,3 2,90 3.3 4,3 5,5 10.0 Demirli ve nikelli meteoritlerin varlığından dolayı çekirdek genel olarak bir demir ve nikel karışımından oluşmuş olmalıdır. Çünkü: Silikatlar ve daha değişik malzemeler (bileşikler) üzerinde, laboratuarda deneysel olarak oluşturulan çekirdek koşullarında (4000 km derinliğe denk 2400 kb basınç altında) yapılan deneyler, bu şartlarda, silikatlar da dahil bütün bileşiklerin kimyasal yapılarının bozularak yoğun metallere ayrıldıklarını göstermiştir .BÖLÜM 5: Çekirdek S dalgaları mantodan daha derinlere (2900 km) geçemez. Yani: 2900 km derinlikte bulunan bu geçiş zonunda, (manto – dış çekirdek zonu) dış çekirdek kısmı ergimiş halde olmalıdır. Yoğunluk (g/cm 3 ) KABUK İÇ ÇEKİRDEK Astenosfer Derinlik (km) Katı metal Sıvı metal (Fe + Ni ve Si) Yoğun oksitler ? Periklas (MgO) Stişovit (SiO 2 ) Silikatlar Ultramafik kayaçlar Mafik kayaçların yoğun polimorfları ÜST MANTO AL T MANTO DIŞ ÇEKİRDEK 6370 5200 2900 700 200 30 0 13.6 12,3 13,3 2,90 3.3 4,3 5,5 10.0 • Yoğunluk değeri dış çekirdekte 10 g/cm 3 den iç çekirdekte 13.6 g/cm 3 e kadar değişir. • Bu yoğunluk değerleri, yaklaşık % 6 oranında Ni içeren Fe-Ni alaşımından yaklaşık % 10 daha azdır. • Bu alaşımda ses dalgalarının hızı jeofiziksel verilere göre daha düşüktür. • Yani hafif elementler de olmalıdır. • Si ve/veya S, özellikle kükürt, Fe ve Ni ile alaşım yapabilecek ve alaşımın yoğunluğunu çekirdek için bilinen değerlere (10 – 13.6 g/cm 3 ) indirebilecek bir elementtir . Özetle çekirdek, Fe, Ni ve bir miktar S içeren bir kimyasal bileşime sahiptir.BÖLÜM 5: Manto Yeryuvarının kabuk kesiminden çekirdeğine kadar devam eden bölümü olup, üst ve alt manto olarak iki bölüme ayrılır. Üst manto, Moho süreksizliğinden başlayarak, 670 km derine kadar devam eder. Litosferin alt kısmını (litosferik manto) ve astenosferi kapsar. Litosfer, yeryuvarını saran en dış kabuktur ve hareketli okyanusal ve kıtasal levhalardan oluşur. Litosferin tabanı S dalgalarının hızlarında çok ani bir düşüşün olması ile karakteristiktir. Bu zon, özellikle okyanusal kabuk altında sıcaklığın yaklaşık 1200 o C olduğu bir bölgedir (astensofer= litosferin tabanından başlayarak yaklaşık 250 km derine kadar devam eden düşük hız zonu). Bu zonda bütün sismik dalgalar zayıflar. Bu da astenosferin kısmen ergimiş madde (~ % 1) içerdiğinin bir göstergesidir. S Dalga Hızı (km/s) 3,0 4,0 5,0 6,0 100 200 Moho Astenosfer Faz geçişi 300 400 500 600 Mezosfer 700 Faz geçişi 3,5 4,0 4,5 5,0 3,0 Yoğunluk (g/cm 3 ) Yoğunluk S Dalga Hızı Litosfer ALT MANTOBÖLÜM 5: Manto Üst manto içinde iki faz dönüşüm zonu bulunur. ? ~400 km derinlikteki dönüşüm zonu: Olivin yapısına sahip Mg ve Fe ortosilikatlar spinel yapısına değişim gösterir. ? 2) ~670 km derinlikteki dönüşüm zonu: Bu derinlik üst manto-alt manto sınırına karşılık gelir . ~400 km derinlikten itibaren yapısını koruyan spinel, bu derinlikte (~670 km) perovskit yapısına dönüşüm yapar. 1. Jeofiziksel veriler 2. Üst mantonun bölümsel ergimesi sonucu oluştuğu düşünülen bazaltik mağmanın incelenmesi 3. Yer yüzüne ulaşan ve manto kökenli olduğu tahmin edilen ultramafik kayaçlar 4. Uzaydan kaynaklanan parçaların (meteoritlerin) incelenmesi 5. Sentetik pirolit modeli Kıtasal Okyanusal Litosferik manto 0 100 200 300 400 500 600 700 Olivin Spinel Spinel Perovskit Kabuk Astenosfer Alt mantoBÖLÜM 5: Manto- Jeofiziksel veriler ve bazaltik magma ? Birincil (P) sismik jeofizik dalgalarının üst manto içindeki yayılım hızları 8.1-8.3 km/s dir. ? P dalgalarının bu hızla yayılabileceği en uygun kayaçlar peridotitlerdir. ? Peridotitlerin ergitilmesi sonucunda ilk oluşan ergiyik bazaltik bileşim oluşturur. ? Yer yüzünde bazaltik mağmatik kayaçlar son derece yaygındır; Bu, mantonun peridotit bileşiminde olduğunu desteklemektedir. ? Bazaltik faaliyetler (lav püskürmeleri) esnasında yapılan sismik ölçümler, deprem odağının (merkez) yaklaşık 60 km derinlikte olduğunu göstermiştir. ? Bu derinlik üst mantonun üst kesimlerine karşılık gelir ve mantoda peridotitik bir kütlenin varlığına işaret eder. Kıtasal Okyanusal Litosferik manto 0 100 200 300 400 500 600 700 Olivin Spinel Spinel Perovskit Kabuk Astenosfer Alt mantoBÖLÜM 5: Manto- Manto kökenli Ultramafik ksenolitler • Ya ofiyolitik komplekslerde olduğu gibi, bulundukları yere tektonik olarak itilmişlerdir, • ya da hem kıta içi ve hem de okyanus içi ortamlarda gelişen silise doygun olmayan (aşırı fakir) derin manto kökenli alkalen bazaltlar veya kimberlitler içinde ksenolitler halinde yer yüzüne ulaşmışlardır. Kimyasal ve yapısal olarak en az değişikliğe uğramış olan en az altere (en taze) ultramafik kayaç örnekleri ksenolitlerden elde edilmiştir. Çeşitleri: Çeşitleri: 1) Kimberlitler içerisinde yüzeye ulaşan granatlı lerzolit (peridotit) ksenolitleri (veya nodülleri) 2) alkalen bazalt veya nefelinitler içerisinde yüzeye ulaşan spinel lerzolit ksenolitleri. Kıtasal Okyanusal Litosferik manto 0 100 200 300 400 500 600 700 Olivin Spinel Spinel Perovskit Kabuk Astenosfer Alt manto Kimberlit içindeki Garnet lerzolit ksenoliti Kimberley, G. AfrikaDerinlik (km) Basınç (kbar) 50 100 200 150 250 300 1800 1400 1000 600 0 20 40 60 80 100 BÖLÜM 5: Manto- Manto kökenli Ultramafik ksenolitler Kimberlit: Bacalar, dayklar veya siller halinde kabuk içine yerleşmiş olan, (CO 2 ve H 2 O gibi) uçucularca zengin, Na 2 O içeriği düşük, K 2 O/Na 2 O oran yüksek , uyumsuz elementlerce zengin kayaçlardır. Kimberlitlerin en önemli özelliği elmas kseno-kristalleri içermeleridir. Elmasın duraylılık alanı dikkate alındığında, elmaslı kimberlitlerin 135 – 250 km arası bir manto derinliğinde oluşması gerekir. YANİ: ???? Kimberlitler Kimberlitler içindeki granatlı içindeki granatlı lerzolit lerzolit ksenolitleri ksenolitleri Kimberlite bacası Kimberley, G. Afrika Kimberlit içindeki Garnet lerzolit ksenoliti Kimberley, G. AfrikaBÖLÜM 5: Manto- Manto kökenli Ultramafik ksenolitler Kimberlitler içerisindeki manto kökenli ksenolitler genellikle 10 – 30 cm çaplı olup, nadiren 1 m’yi aşan büyüklüğe erişebilirler. Granatlı lerzolit, en sık görülen ksenolit. Granatlı harzburjit, harzburjit, dünit, piroksenit ve glimerit (mikaca zengin peridotitik kayaç) çok az. Granatlı lerzolitler % 63 olivin, % 30 ortopiroksen, % 2 klinopiroksen ve % 5 granat içerir. Flogopit ve amfibol aksesuar minerallerdir (uyumsuz element ve hafif NTE’ce zenginleşme) ve manto içinde uçucuların varlığına işaret ederler. Kimberlitler Kimberlitler içindeki granatlı içindeki granatlı lerzolit lerzolit ksenolitleri ksenolitleri Kimberlit içindeki Garnet lerzolit ksenoliti Kimberley, G. AfrikaBÖLÜM 5: Manto- Manto kökenli Ultramafik ksenolitler Granatlı lerzolitlerin kimyasal / mineralojik bileşimleri homojendir. Dokusal özellikleri farklı. Çoğunlukla iri ve eş boyutlu kristalli bir doku göstermelerine karşın, (mineral bantlaşması ve laminalanma gibi) deformasyon özelliği gösteren ve manto içinde süper plastik halde bir akıntının varlığını simgeleyen dokular da gösterebilirler. Kimberlitler Kimberlitler içindeki granatlı içindeki granatlı lerzolit lerzolit ksenolitleri ksenolitleri Kimberlit içindeki Garnet lerzolit ksenoliti Kimberley, G. AfrikaBÖLÜM 5: Manto- Manto kökenli Ultramafik ksenolitler Kimyasal bileşimleri homojen. Ancak kolaylıkla ergiyebilen bileşenlerinde bir değişim gözlenebilir. Bu değişim bu ksenolitlerin mağma oluşturma potansiyelini de etkiler. Bu nedenle granatlı ksenolitler 1) üretken (kolay ergiyebilen elementlerce zengin = fertile) ve 2) kısır (kolay ergiyebilen elementlerce fakir = infertile) olarak iki gruba ayrılırlar. Kimberlitler Kimberlitler içindeki granatlı içindeki granatlı lerzolit lerzolit ksenolitleri ksenolitleri Kimberlit içindeki Garnet lerzolit ksenoliti Kimberley, G. AfrikaBÖLÜM 5: Manto- Manto kökenli Ultramafik ksenolitler Kimberlitler Kimberlitler içindeki granatlı içindeki granatlı lerzolit lerzolit ksenolitleri ksenolitleriBÖLÜM 5: Manto- Manto kökenli Ultramafik ksenolitler aksesuar mineraller: Flogopit ve amfibol Bu gibi Al, Ca, Ti, Na ve K (ve uçucular bakımından zengin) minerallerin varlığı, granatlı lerzolitlerin mağma oluşturma potansiyelini artırır. Ana elementler açısından, kısır granatlı ksenolitlerde Al, Ca, Ti, Na ve K içeriklerinde azalma ve Mg / (Mg+Fe) ile Cr / (Cr+Al) oranlarında artış gözlenir. Bu açıdan, granatlı lerzolitler en üretken, dünitler ise en kısır peridotit türüdür. Çünkü, ergime ve mağma oluşumu ile, granatlı lerzolit içindeki minerallerden flogopit, amfibol, klinpiroksenler ve hatta granat tüketildiğinden (ergitildiğinden), geriye sadece olivin ve ortopiroksenden oluşan bir kalıntı kalır. Bu kalıntı bileşim Mg ve Cr bakımından zengin, buna karşın Al, Ca, Ti, Na ve K bakımından fakirleşmiş dünitin bileşimini verir. Bu nedenle manto ksenolitlerinden dünit, granatlı lerzolit bileşimindeki mantodan bazaltik mağmanın oluşup ayrılmasından sonra geriye kalan kısım olmalıdır Kimberlitler Kimberlitler içindeki granatlı içindeki granatlı lerzolit lerzolit ksenolitleri ksenolitleri