Aardwetenschappen
Deel I: Planeet Aarde
1. Inleiding
1.1 Aardwetenschappen
▪ GEOLOGIE
› FYSISCHE: bestudeert materiaal waaruit Planeet Aarde
opgebouwd is en vele processen die er plaatsvinden
› HISTORISCHE: focust op ontstaansgeschiedenis planeet en zijn
evolutie
› Sub-disciplines: mineralogie, petrografie, paleontologie, …
▪ FYSISCHE GEOGRAFIE/geomorfologie: bestudeert landschapsvormen
en -vormende processen
▪ BODEMKUNDE: bestudeert biologisch actieve toplaag geosfeer
1.2 Tijd
→ DIEPE TIJD: geologische tijdspanne
Pogingen om ouderdom aarde te schatten
▪ James Ussher: 4004 BC (door leeftijden aartsvaders bijbel op te
tellen)
▪ Charles Darwin: berekende 300 miljoen jaar om berg weg te eroderen
▪ Henri Beqceruel in 1896: ontdekte radioactiviteit = klok
Ouderdom planeet aarde: 4 550 000 000 = 4,55 . 109 jaar
Wetenschappelijke inzichten: tijd nodig gebergte om te eroderen
(Darwin), mariene fossielen in gebergten (sedimentgesteente opgeduwd),
radioactiviteit is aboslute tijdsklok (verval van uranium naar lood)
→ GEOLOGISCHE TIJDSCHAAL (oplopend! → getal is afstand tot nu)
1.3 Sferen van Planeet Aarde (Systeem Aarde)
▪ GEOSFEER: onder atmo- & hydrosfeer grotendeels vast ; domineert volume ; 6400 km dik
▪ HYDROSFEER: water (vast, vloeibaar, gas) aan aardopp. ; hydrologische cyclus ; dun ; domineert
oppervlak (70% opp., maar 0,1% volume)
▪ ATMOSFEER: dunne omhulling ; gasfase boven geo- & hydrosfeer ; 100 km dik (wordt ijler, 90%
gassen in eerste 16 km; op interface
→ deze zijn sterk met elkaar verbonden ⇒ systeem aarde (voornamelijk gesloten; beperkt input
ruimtestof, meterorieten en gassen)
1 GROTE ENERGIEBRON: DE ZON
1.5 Enkele conventies zie pg 1.4
Jaar: a ; duizend jaar: ka ; miljoen jaar: Ma ; miljard jaar: Ga ; BP (before Present, ref. = 1950) ;
decimaal = . ; 1 AU = 1 astronomical unit = 150 . 106 km; AD = Anno Domini (vanaf begin jaartelling)
1
, 2. Kenmerken van Planeet Aarde
2.1 Ontstaansgeschiedenis van Planeet Aarde
2.1.1 Oorsprong van het zonnestelsel
Ontstaan heelal: zo’n 13,7 Ga geleden tijdens explosie → basiselementen alle materie universum
onmiddellijk gevormd
1. Protonen, neutronen en elektronen gevormd
2. Atomen H en He ontstaan door thermonucleaire kernfusie (basis alle andere elementen en
materie)
3. Condenseren tot wolken van deze elementen → eerste sterren → galactische systemen bv.
Melkweg (10 Ga geleden)
4. T en densiteit wolken stijgt → Kernfusie tussen H & He en He-atomen onderling
Zon: enkel He door kernfusie van H
Grotere sterren: t.e.m. element 26 (Fe) via thermonucleaire reacties
Supernova’s van zeer grote sterren: nog hogere elementen (worden in interstellaire ruimte
gestuwd en voegen zich samen met reeds bestaande nevels
5. Ontstaan Zonnestelsel: 4,7 Ga uit contractie galactische nevel (solar nebula)
→ proto-Zon ontstaat in centrum zonnewolk door gravitaire interacties partikels (→ nevel vormt
schijf met uitwaaiende armen)
→ vorming Zon (= ster: ruimtelichaam uit geïoniseerd gas (plasma) als gevolg van kernfusie)
waarbij veel warmte vrijkomt (vrijstelling neemt af naarmate zon volledig gevormd is)
6. Stofdeeltjes en atomen eerste versmolten en vervolgens geconcentreerd tot primaire
gesteenteklompen → vormden roterende banden
7. Planeten ontstaan in roterende banden (concentratie tot kernen)
Aardse planeten: Mercurius, Venus, Aarde & Mars: opgebouwd uit vast materiaal
→ T Aarde & Mars ⇒vloeibaar water mogelijk (Mars heeft geen water meer→ afwezigheid
magnetisch veld & ijle atmosfeer → vroeger wel)
→ Aarde heeft grote Maan die dicht rond planeet draait
Astroïdengordel: tussen Mars en Jupiter: bron meteoroïden & grotere planetoïden (brokstukken
niet samengekoekt tot planeten)
Gasplaneten: Jupiter, Saturnus, Uranus & Neptunus
Kometen: vuile ijsballen met elliptische omloopbanen rond Zon en omlooptijd tot 1000’den jaren
2
,2.1.2 Vorming van de primitieve planeet Aarde
▪ Na eerste vorming inslagen meteoroïden → verdere accumulatie Aarde
› zorgde samen met verval van kortlevende radioactieve elementen voor sterke T stijging → zelfs
Ni en Fe smolten
▪ Ontstaan magma-oceaan die de hele aarde bedekte
▪ CHEMISCHE DIFFERENTIATIE vormt basis 3 lagen Aarde: ijzerrijke kern, mantel en dunne korst
› Zwaardere elementen naar centrum → kern
› Lichtere elementen naar oppervlak (O, Si, Al & mindere mate Ca, K, Na, Fe & Mg) + zwaardere
elementen met laag smeltpunt of sterk oplosbaar in opstijgende gesteentematerialen (Au, Pb
& U → samenkoeken en verstenen tot primitieve korst
▪ Hierbij ook ONTGASSING (vrijkomen lichtste verbindingen onder gasvorm)
▪ Botsing kleinere planetoïde → materie werd in de ruimte geslingerd → Maan ontstaat uit deze
geconcentreerde materie → belangrijk deel materie geassimileerd door Aarde die daardoor
toenam in massa → voldoende massa om vrijgekomen gassen vast te houden ⇒ atmosfeer
2.1.3 Vorming van de atmosfeer en oceanen
Samenstelling initiële atmosfeer analoog als die
Samenstelling huidige atmosfeer (droge lucht):
van hedendaagse vulkanische gassen:
▪ 35 - 90% H2O
▪ 78.1% N
▪ 5 -30% CO2 (= bron van C)
▪ 20.9% O
▪ 2 - 30% SO2
▪ 0.9% Ar
▪ Sporen He, CH4, NH3, N2, Cl2, H & Ar
▪ Nog andere elementen & moleculen
4 Ga geleden 90% huidige oceanen gevormd → waterdamp condenseerde tot regen bij verder afkoelen
planeet
⇒ regen bijzonder zuur → sterke verwering op continenten met afvoer ionen naar oceanen, die
zoutrijker worden → sinds 2 Ga zoutconc. Stabiel (3,5%) & sommige ionen bron voor verbindingen
⇒ aangevuld met extra water dat als ijs mee kwam met meteorieten
3,7 Ga geleden eerste primitieve leven ⇒ ANAEROBE PROKARYOTEN (CO2 + 2H2S → CH2O +H2O +S2)
3,5 Ga geleden eerste FOTOSYNTHETISERENDE BACTERIËN (stromatolieten van cyanobacteriën)
⇒ O2 als restproduct & zon als energiebron → vormt Fe-O verbindingen (in oceanen) die neerslaan als
sediment → precambrische Fe-afzettingen nu voornaamste bron ijzererts
2,2 Ga O2 massaal vrij in atmosfeer (Fe-voorraad op)
⇒ deel reactie tot ozon (O3) en accumulatie in stratosfeer
1,5 Ga vrij stabiel O2-niveau in atmosfeer (ong. 5%)
→ sinds 650 Ma neemt niveau schommelend toe (piek: 35%, gemiddelde: 21%)
⇒ Sinds 2 Ga ong. huidige condities qua samenstelling oceanen en atmosfeer
2.1.4 Vorming van de eerste continenten
▪ Eerste primitieve korst: uit gesmolten mantelgesteenten (dus wss basaltisch)
▪ Kernen van continenten: in het vroege Archeaan gevormd
▪ CRATONS = initiële continenten
▪ verwering korstmateriaal & wegzinken in mantel ⇒ zorgde voor afbraak korstmateriaal
› gedeeltelijk opsmelten wegzinkend korstmateriaal
› opstijgende magma Si-rijker en lichter dan mantelgesteente
3
, ▪ 3 Ga meeste continenten groot, licht, dik genoeg→weerstaan aan wegsmelting→ ontstaan cratons
▪ 541 Ma 85% huidige continentale korst gevormd door verdere samenkitting
▪ aangroei continenten door processen gerelateerd aan platentektoniek (vulkanisme & orogenese)
en continue afbraak door verwering gaat door
▪ SCHILDEN = hedendaagse dagzomende delen (delen aan oppervlak)
2.2 Opbouw van Planeet Aarde
2.2.1 Vorm en afmetingen
▪ Ellipsoïde met afplatting f = 0,0033
▪ Gem. straal = 6371 km
▪ Omtrek langsheen evenaar = 40 075 km & langsheen polen = 40 008 km
▪ Topografie t.o.v. zeeniveau = -10 911m (Marianentrog) tot +8848m (Mount Everest)
▪ Aardoppervlak: 510 106 km2 →70,8% is bedekt met water
▪ Gem. dichtheid (grote variatie!) = 5,52 g/cm3
2.2.2 Inwendige opbouw
O.b.v. chemische kenmerken: korst, mantel & kern
KORST
▪ Continentale korst
› 20 - 70 km dik
› gemiddeld granitisch (Si-rijk), maar vele gesteentetypes
› d = 2,7 g/cm3
› maximum 4 Ga oud, maar sterk uiteenlopende ouderdom
▪ oceanische korst:
› 7 km dik
› basaltisch (Si-arm), voornamelijk basalt
› d = 3 g/cm3
› maximum 180 Ma oud
MANTEL:
▪ 82% van volume Aarde
▪ van onder korst tot diepte 2890 km
▪ Mg- en Fe-rijk → dominant mineraal: olivijn & overeenkomstig gesteentetype: peridotiet
▪ d = 3,3 → 5,7 g/cm3
▪ geothermische gradiënt = 0,5 °C/km
▪ i.f.v. T/druk deels (semi-)vloeibaar, vooral gesteenten in onderste mantel
▪ bovenste mantel → 660km, vandaar verder de onderste mantel
O.b.v. fysische kenmerken: lithosfeer, asthenosfeer, mantel, binnen- & buitenkern
+ atmosfeer en hydrosfeer (extensies)
LITHOSFEER (korst + buitenste mantel)
▪ buitenste harde schil → gemiddeld 100 km, maximum 250 km
ASTHENOSFEER:
▪ gesteenten voorbij smeltpunt ⇒ stijgende druk (1200-1400 °C)→semi-vloeibaar/partiële smelting
▪ week deel mantel, tot 360-410 km
→ platentektoniek: stukken lithosfeer bewegen op asthenosfeer
4
Deel I: Planeet Aarde
1. Inleiding
1.1 Aardwetenschappen
▪ GEOLOGIE
› FYSISCHE: bestudeert materiaal waaruit Planeet Aarde
opgebouwd is en vele processen die er plaatsvinden
› HISTORISCHE: focust op ontstaansgeschiedenis planeet en zijn
evolutie
› Sub-disciplines: mineralogie, petrografie, paleontologie, …
▪ FYSISCHE GEOGRAFIE/geomorfologie: bestudeert landschapsvormen
en -vormende processen
▪ BODEMKUNDE: bestudeert biologisch actieve toplaag geosfeer
1.2 Tijd
→ DIEPE TIJD: geologische tijdspanne
Pogingen om ouderdom aarde te schatten
▪ James Ussher: 4004 BC (door leeftijden aartsvaders bijbel op te
tellen)
▪ Charles Darwin: berekende 300 miljoen jaar om berg weg te eroderen
▪ Henri Beqceruel in 1896: ontdekte radioactiviteit = klok
Ouderdom planeet aarde: 4 550 000 000 = 4,55 . 109 jaar
Wetenschappelijke inzichten: tijd nodig gebergte om te eroderen
(Darwin), mariene fossielen in gebergten (sedimentgesteente opgeduwd),
radioactiviteit is aboslute tijdsklok (verval van uranium naar lood)
→ GEOLOGISCHE TIJDSCHAAL (oplopend! → getal is afstand tot nu)
1.3 Sferen van Planeet Aarde (Systeem Aarde)
▪ GEOSFEER: onder atmo- & hydrosfeer grotendeels vast ; domineert volume ; 6400 km dik
▪ HYDROSFEER: water (vast, vloeibaar, gas) aan aardopp. ; hydrologische cyclus ; dun ; domineert
oppervlak (70% opp., maar 0,1% volume)
▪ ATMOSFEER: dunne omhulling ; gasfase boven geo- & hydrosfeer ; 100 km dik (wordt ijler, 90%
gassen in eerste 16 km; op interface
→ deze zijn sterk met elkaar verbonden ⇒ systeem aarde (voornamelijk gesloten; beperkt input
ruimtestof, meterorieten en gassen)
1 GROTE ENERGIEBRON: DE ZON
1.5 Enkele conventies zie pg 1.4
Jaar: a ; duizend jaar: ka ; miljoen jaar: Ma ; miljard jaar: Ga ; BP (before Present, ref. = 1950) ;
decimaal = . ; 1 AU = 1 astronomical unit = 150 . 106 km; AD = Anno Domini (vanaf begin jaartelling)
1
, 2. Kenmerken van Planeet Aarde
2.1 Ontstaansgeschiedenis van Planeet Aarde
2.1.1 Oorsprong van het zonnestelsel
Ontstaan heelal: zo’n 13,7 Ga geleden tijdens explosie → basiselementen alle materie universum
onmiddellijk gevormd
1. Protonen, neutronen en elektronen gevormd
2. Atomen H en He ontstaan door thermonucleaire kernfusie (basis alle andere elementen en
materie)
3. Condenseren tot wolken van deze elementen → eerste sterren → galactische systemen bv.
Melkweg (10 Ga geleden)
4. T en densiteit wolken stijgt → Kernfusie tussen H & He en He-atomen onderling
Zon: enkel He door kernfusie van H
Grotere sterren: t.e.m. element 26 (Fe) via thermonucleaire reacties
Supernova’s van zeer grote sterren: nog hogere elementen (worden in interstellaire ruimte
gestuwd en voegen zich samen met reeds bestaande nevels
5. Ontstaan Zonnestelsel: 4,7 Ga uit contractie galactische nevel (solar nebula)
→ proto-Zon ontstaat in centrum zonnewolk door gravitaire interacties partikels (→ nevel vormt
schijf met uitwaaiende armen)
→ vorming Zon (= ster: ruimtelichaam uit geïoniseerd gas (plasma) als gevolg van kernfusie)
waarbij veel warmte vrijkomt (vrijstelling neemt af naarmate zon volledig gevormd is)
6. Stofdeeltjes en atomen eerste versmolten en vervolgens geconcentreerd tot primaire
gesteenteklompen → vormden roterende banden
7. Planeten ontstaan in roterende banden (concentratie tot kernen)
Aardse planeten: Mercurius, Venus, Aarde & Mars: opgebouwd uit vast materiaal
→ T Aarde & Mars ⇒vloeibaar water mogelijk (Mars heeft geen water meer→ afwezigheid
magnetisch veld & ijle atmosfeer → vroeger wel)
→ Aarde heeft grote Maan die dicht rond planeet draait
Astroïdengordel: tussen Mars en Jupiter: bron meteoroïden & grotere planetoïden (brokstukken
niet samengekoekt tot planeten)
Gasplaneten: Jupiter, Saturnus, Uranus & Neptunus
Kometen: vuile ijsballen met elliptische omloopbanen rond Zon en omlooptijd tot 1000’den jaren
2
,2.1.2 Vorming van de primitieve planeet Aarde
▪ Na eerste vorming inslagen meteoroïden → verdere accumulatie Aarde
› zorgde samen met verval van kortlevende radioactieve elementen voor sterke T stijging → zelfs
Ni en Fe smolten
▪ Ontstaan magma-oceaan die de hele aarde bedekte
▪ CHEMISCHE DIFFERENTIATIE vormt basis 3 lagen Aarde: ijzerrijke kern, mantel en dunne korst
› Zwaardere elementen naar centrum → kern
› Lichtere elementen naar oppervlak (O, Si, Al & mindere mate Ca, K, Na, Fe & Mg) + zwaardere
elementen met laag smeltpunt of sterk oplosbaar in opstijgende gesteentematerialen (Au, Pb
& U → samenkoeken en verstenen tot primitieve korst
▪ Hierbij ook ONTGASSING (vrijkomen lichtste verbindingen onder gasvorm)
▪ Botsing kleinere planetoïde → materie werd in de ruimte geslingerd → Maan ontstaat uit deze
geconcentreerde materie → belangrijk deel materie geassimileerd door Aarde die daardoor
toenam in massa → voldoende massa om vrijgekomen gassen vast te houden ⇒ atmosfeer
2.1.3 Vorming van de atmosfeer en oceanen
Samenstelling initiële atmosfeer analoog als die
Samenstelling huidige atmosfeer (droge lucht):
van hedendaagse vulkanische gassen:
▪ 35 - 90% H2O
▪ 78.1% N
▪ 5 -30% CO2 (= bron van C)
▪ 20.9% O
▪ 2 - 30% SO2
▪ 0.9% Ar
▪ Sporen He, CH4, NH3, N2, Cl2, H & Ar
▪ Nog andere elementen & moleculen
4 Ga geleden 90% huidige oceanen gevormd → waterdamp condenseerde tot regen bij verder afkoelen
planeet
⇒ regen bijzonder zuur → sterke verwering op continenten met afvoer ionen naar oceanen, die
zoutrijker worden → sinds 2 Ga zoutconc. Stabiel (3,5%) & sommige ionen bron voor verbindingen
⇒ aangevuld met extra water dat als ijs mee kwam met meteorieten
3,7 Ga geleden eerste primitieve leven ⇒ ANAEROBE PROKARYOTEN (CO2 + 2H2S → CH2O +H2O +S2)
3,5 Ga geleden eerste FOTOSYNTHETISERENDE BACTERIËN (stromatolieten van cyanobacteriën)
⇒ O2 als restproduct & zon als energiebron → vormt Fe-O verbindingen (in oceanen) die neerslaan als
sediment → precambrische Fe-afzettingen nu voornaamste bron ijzererts
2,2 Ga O2 massaal vrij in atmosfeer (Fe-voorraad op)
⇒ deel reactie tot ozon (O3) en accumulatie in stratosfeer
1,5 Ga vrij stabiel O2-niveau in atmosfeer (ong. 5%)
→ sinds 650 Ma neemt niveau schommelend toe (piek: 35%, gemiddelde: 21%)
⇒ Sinds 2 Ga ong. huidige condities qua samenstelling oceanen en atmosfeer
2.1.4 Vorming van de eerste continenten
▪ Eerste primitieve korst: uit gesmolten mantelgesteenten (dus wss basaltisch)
▪ Kernen van continenten: in het vroege Archeaan gevormd
▪ CRATONS = initiële continenten
▪ verwering korstmateriaal & wegzinken in mantel ⇒ zorgde voor afbraak korstmateriaal
› gedeeltelijk opsmelten wegzinkend korstmateriaal
› opstijgende magma Si-rijker en lichter dan mantelgesteente
3
, ▪ 3 Ga meeste continenten groot, licht, dik genoeg→weerstaan aan wegsmelting→ ontstaan cratons
▪ 541 Ma 85% huidige continentale korst gevormd door verdere samenkitting
▪ aangroei continenten door processen gerelateerd aan platentektoniek (vulkanisme & orogenese)
en continue afbraak door verwering gaat door
▪ SCHILDEN = hedendaagse dagzomende delen (delen aan oppervlak)
2.2 Opbouw van Planeet Aarde
2.2.1 Vorm en afmetingen
▪ Ellipsoïde met afplatting f = 0,0033
▪ Gem. straal = 6371 km
▪ Omtrek langsheen evenaar = 40 075 km & langsheen polen = 40 008 km
▪ Topografie t.o.v. zeeniveau = -10 911m (Marianentrog) tot +8848m (Mount Everest)
▪ Aardoppervlak: 510 106 km2 →70,8% is bedekt met water
▪ Gem. dichtheid (grote variatie!) = 5,52 g/cm3
2.2.2 Inwendige opbouw
O.b.v. chemische kenmerken: korst, mantel & kern
KORST
▪ Continentale korst
› 20 - 70 km dik
› gemiddeld granitisch (Si-rijk), maar vele gesteentetypes
› d = 2,7 g/cm3
› maximum 4 Ga oud, maar sterk uiteenlopende ouderdom
▪ oceanische korst:
› 7 km dik
› basaltisch (Si-arm), voornamelijk basalt
› d = 3 g/cm3
› maximum 180 Ma oud
MANTEL:
▪ 82% van volume Aarde
▪ van onder korst tot diepte 2890 km
▪ Mg- en Fe-rijk → dominant mineraal: olivijn & overeenkomstig gesteentetype: peridotiet
▪ d = 3,3 → 5,7 g/cm3
▪ geothermische gradiënt = 0,5 °C/km
▪ i.f.v. T/druk deels (semi-)vloeibaar, vooral gesteenten in onderste mantel
▪ bovenste mantel → 660km, vandaar verder de onderste mantel
O.b.v. fysische kenmerken: lithosfeer, asthenosfeer, mantel, binnen- & buitenkern
+ atmosfeer en hydrosfeer (extensies)
LITHOSFEER (korst + buitenste mantel)
▪ buitenste harde schil → gemiddeld 100 km, maximum 250 km
ASTHENOSFEER:
▪ gesteenten voorbij smeltpunt ⇒ stijgende druk (1200-1400 °C)→semi-vloeibaar/partiële smelting
▪ week deel mantel, tot 360-410 km
→ platentektoniek: stukken lithosfeer bewegen op asthenosfeer
4
