Pokročilá historická geologie Multiproxy stratigrafie (petrofyzika a chemostratigrafie) •Zástupné proměnné (z angličtiny proxies, sing. proxy) • •interpretace proměnných, které není možné měřit přímo •Statistický koncept zástupných proměnných •proxy parametry musí s interpretovanou proměnnou vykazovat statisticky významnou korelaci, například lineární, nelineární, pozitivní či negativní • •Příklady: - životní úroveň se posuzuje pomocí hrubého domácího produktu na obyvatele (proxy parametr) - proxy maximální teploty během pohřbení sedimentu - odraznost vitrinitu nebo krystalinita illitu - výpočet teploty nebo úhrnu srážek; δ18O, pylová spektra … • • -moderní technologie - rychlý sběr velkého množství dat (petrofyzikálních, geochemických) -integrace více proxy parametrů - multiproxy analýza - velmi detailní a často složité interpretace - •- Renesance stratigrafie od konce 20. století: využití multiproxy analýzy v paleoklimatických, paleoceánografických, paleohydrografických, paleotektonických a dalších interpretacích •Přirozená radioaktivita tří izotopů •draslík (izotop 40K) •uran (izotopy 234U, 235U a 238U) •thorium (izotop 232Th) Gamakarotážní a gamaspektrometrické metody - měří přirozenou radioaktivitu hornin •základní gamakarotáž (gamma-ray log) měří celkovou radioaktivitu •spektrální gamakarotáž (spectral gamma-ray log) nebo obecněji gamaspektrometrie měří aktivitu každého prvku zvlášť a přepočítává je na koncentrace daného prvku (K %; U + T v ppm) - analyzováno gamaspektrometrem •Gamaspektrometrie na výchozech (ruční gamaspektrometr) •Gamaspektrometrie •Gamakarotážní křivky úzce souvisí s litologií hornin •proxy minerálního složení hornin •Používají se k litostratigrafické korelaci, interpretaci facií a faciálních sledů a v posledních desetiletích také v sekvenční stratigrafii. • •Draslík - součást fylosilikátů, draselných živců,draselných solí … •vyšší koncentrace K v jílových minerálech = vysoké obsahy K v jemnozrnných klastických sedimentech (jíly a jílovce) •křemenné písky a pískovce - obsahy K nižší •arkózy a psamity bohatých na draselné živce - obsahy K stoupají •Obsahy draslíku lze proto s určitým omezením využít jako indikátory zrnitosti • •Uran •v některých těžkých minerálech (monazit, xenotim, thorit, zirkon, apatit), minerály uranu, •jílové minerály – U adsorbovaný na povrch jílových minerálů (vyšší U v jemnozrnných klastických sedimentech) •organická hmota - adsorpce ve formě urano-organických komplexů •izomorfní příměs ve fosfátech • •poměrně dobře mobilní i v podmínkách diageneze (v oxickém prostředí, v redukčních podmínkách se váže) •Thorium •Nejčastějšími nosiči thoria jsou těžké minerály •v akcesorických minerálech kyselých a intermediárních magmatitů (thorit, allanit(Ce), monazit, epidot, apatit, zirkon a titanit) •povrch jílových minerálů, podobně jako uran. •chemická stabilita •Radioaktivita klastických sedimentů je většinou závislá na zrnitosti •Obsah jílových minerálů a těžkých minerálů je přímo úměrný zrnitosti •jemnozrnnější klastika - vyšší radioaktivita •Nižší radioaktivita psamitů - vyšší obsahy neradioaktivního křemene •Radioaktivita sedimentů je však ovlivněna také minerálním složením písčité a prachové frakce (arkózy, černé břidlice) •Záleží však i na zdrojové hornině klastik: budou-li písčitá zrna derivována z více radioaktivních hornin, „zrnitostní“ pravidlo platit nemusí •poměry K/Th •K a Th vázány převážně na detritickou složku •Poměru K/Th lze použít pro identifikaci hlavních nosičů radioaktivity a zdroje sedimentu (provenience) a styl zvětrávání •Vysoké poměry K/Th - draselné soli, draselné živce,glaukonit •Nízké poměry - smektit, kaolinit nebo těžké minerály •poměry U/Th •U + Th v jílových minerálech U v organické hmotě •Vysoké poměry U/Th - jílové břidlice s vysokým obsahem organické hmoty - potenciální matečné horniny pro uhlovodíky •Anomálně vysoké poměry U/Th - kondenzované horizonty nebo anoxické/dysoxické podmínky •Tvary spektrálních gama křivek: •do nadloží zjemňující (retrogradační) zrnitostní trendy (zvoncovitý tvar křivek) •do nadloží hrubnoucí (progradační) trendy (nálevkový tvar). •Použití gamaspektrometrie pro stratigrafickou korelaci a sekvenční stratigrafii • •genetické povrchy - náhlé zvraty hodnot na gamaspektrometrických křivkách •sekvenční hranice (problematická): zpravidla posun facií do pánve (prudkým vzestupem zrnitosti a poklesem hodnot K, Th) •Transgresní povrchy: náhlý vzestup hodnot radioaktivity •Povrch maximální záplavy: podle maximálních hodnot K, U i Th, vysoké poměry U/Th (v důsledku kondenzace). • •Nálevkovité tvary gama křivek - progradační systémové trakty (trakt nízké hladiny - LST, trakt vysoké hladiny – HST, trakt padající hladiny - FSST) •Do nadloží zjemňující trendy – retrogradace (transgresivní systémový trakt - TST). • Izotopová chemostratigrafie •Využívání poměrů stabilních izotopů •Izotopy - jádra atomů izotopů prvku se stejným početm protonů, ale různým počtem neutronů - stejné atomové číslo / rozdílná atomová hmotnost • • • Izotopová chemostratigrafie •přirozené změny v poměrech stabilních izotopů (nejčastěji 2H/1H, 13C/12C, 15N/14N, 18O/16O a 34S/32S) v přírodních materiálech •změny jsou způsobeny při frakcionaci malými rozdíly v jejich fyzikálních a chemických vlastnostech •různé izotopy vstupují přednostně při reakcích do různých výsledných produktů • •měření izotopových poměrů hmotnostními spektrometry •specifikace zdroje prvků, jejich stopování během fyzikálněchemických procesů, kvantifikace a bilancování sledovaných systémů • • • • •Hlavním sledovaným parametrem je poměr mezi množstvím lehčích a těžších izotopů •Poměr izotopů se uvádí jako malé písmeno delta (δ) s uvedením těžšího izotopu, např. δ13C je poměr 13C/12C •Uvádí se jako promile ‰ •Hodnota poměru stabilních izotopů analyzovaného vzorku se vyjadřuje ve vztahu k referenčnímu materiálu, tzv. standardu, jehož izotopový poměr je známý a rovná se 0 •Materiály s těžším izotopovým složením než standard mají kladné hodnoty a naopak • •Př. Jako standard pro δ13C bylo vybráno rostrum belemnita Belemnitella americana z křídového souvrství Peedee, Jižní Karolína. •Tento standard je označován jak PDB (Peedee Belemnite). Došlo však k spotřebování původního standardu, proto byl uměle vytvořen nový, který je uložený ve Vídni (VPDB = Vienna Peedee Belemnite) Stabilní izotopy uhlíku •dva stabilní izotopy 12C (tvoří 98,89% objemu C) + 13C (1,11%). •Cyklus uhlíku je jedním z nejvýznamnějších geochemických cyklů, který je spojen jak s oceánografickými, geologickými, atmosférickými tak biologickými cykly a procesy • • • Stabilní izotopy uhlíku •karbonát schránek a koster organizmů má uhlík v rovnováze s mořským a atmosférickým uhlíkem (CO2) •díky izotopické „homogenizaci“ či „zprůměrování“ v rámci vysokých rychlostí jejího míšení (v řádu prvních tisíců let) • • • • • • • • •Lehčí „organický“ 12C přednostně využívá biota (primárně při fotosyntéze – primární producenti) při vytváření organických sloučenin •Těžší „anorganický“ 13C přednostně vystupuje do karbonátových komponent organizmů a sedimentu • • Stabilní izotopy uhlíku •Změny izotopického složení uhlíku mořské vody spojené s uhlíkovým cyklem mohou odrážet stav globálního ekosystému Země •Poměr organického (12C) a anorganického (13C) uhlíku ovlivňuje rychlost pohřbívání organického uhlíku a bioproduktivita oceánů •více pohřbené organické hmoty (s 12C) = větší poměr zastoupení těžšího 13C • • • • Stabilní izotopy kyslíku •Izotopické složení mořské vody je vázáno na frakcionační procesy spojené především s hydrologickým cyklem (evaporace, atmosférický transport par a jejich srážení) •Dlouhodobé zadržování vod ve zvodních či ledovcích má velký vliv na izotopické poměry v oceánech •Data z kalcitových schránek, z frankolitu kondontů, zubů; izotopy.JPG •Kyslíková paleotermometrie • • • • Význam izotopického signálu kyslíku 1-s2.0-S0031018211002203-gr11.jpg Význam izotopického signálu kyslíku Stabilní izotopy stroncia •87Sr/86Sr globálně uniformní •poskytují informace o dlouhodobých procesech: orogeneze, klimatické změny nebo eustáze. •růst 87Sr/86Sr je spojen s regresemi, kdy jsou větší území exponována subaerickému zvětrání. •změny 87Sr/86Sr jsou řízeny interakcemi mezi fluviálním vstupem Sr (ze zvětralin) s materiálem z hydrotermální činnosti, spojené především s divergentními litosférickými rozhraními Stabilní izotopy stroncia •Období nízkého 87Sr/86Sr odráží zvýšenou hydrotermální aktivitou, •zvýšení poměru je obecně vázáno na zvýšený přínos zvětralin •Detailně vypracované křivky 87Sr/86Sr mají, vedle paleoenvironmentálních rekonstrukcí velký korelační potenciál jak v mělkomořských tak v hlubokovodních sedimentech Chemostratigrafie hlavních a stopových prvků •Prvkové koncentrace a jejich poměry - paleoenvironmentální interpretace změn: - přínosu klastického materiálu (Al, K, Th, Zr, Rb) - mořské bioproduktivity (P, Cu, Zn, Ni, Pb) - redoxních podmínek (U, Mo) Chemostratigrafie hlavních a stopových prvků •prvkový ukazatel změn paleoredoxních podmínek: obohacení redoxně sensitivních stopových prvků (Mo, V, U, …) •V redukčním prostředí je Mn extrémně mobilní, zatímco v oxickém prostředí bývá Mn vázán v sedimentech v podobě oxidů a karbonátů. •Cu, Ni, Zn a Pb se mohou do sedimentů dostat v redukčních podmínkách ve formě sulfidů (ať už jako samostatné sulfidické fáze nebo např. jako součást pyritu) nebo být adsorbovány na organickou hmotu