Chapter 2 - Plate Tectonics and Earth’s Internal Structure

Environmental  Geology   Chapter  2  -­‐  Plate  Tectonics  and  Earth’s  Internal  Structure     • Earth’s  internal  structure  -­‐  Earth’s  layers  are  defined  in  two  ways.     1.  Layers  defined  by  composition  and  density   o Crust-­‐Less  dense  rocks,  similar  to  granite     o Mantle-­‐More  dense  rocks,  similar  to  peridotite     o Core-­‐Very  dense-­‐mostly  iron  &  nickel   2. Layers  defined  by  physical  properties  (solid  or  liquid  /  weak  or   strong)   o Lithosphere  –  (solid  crust  &  upper  rigid  mantle)   o Asthenosphere  –  “gooey”&hot  -­‐  upper  mantle   o Mesosphere-­‐solid  &  hotter-­‐flows  slowly  over  millions  of   years     o Outer  Core  –  a  hot  liquid-­‐circulating   o Inner  Core  –  a  solid-­‐hottest  of  all-­‐under  great  pressure   • There  are  2  types  of  crust   ü Continental  –  typically  thicker  and  less  dense  (about  2.8  g/cm3)   ü Oceanic  –  typically  thinner  and  denser  (about  2.9  g/cm3)     The  Moho  is  a  discontinuity  that  separates  lighter  crustal  rocks  from   denser  mantle  below     • How  do  we  know  the  Earth  is  layered?    That  knowledge  comes   primarily  through  the  study  of  seismology:  Study  of  earthquakes  and   seismic  waves.    We  look  at  the  paths  and  speeds  of  seismic  waves.    Earth’s   interior  boundaries  are  defined  by  sudden  changes  in  the  speed  of  seismic   waves.    And,  certain  types  of  waves  will  not  go  through  liquids  (e.g.  outer   core).     • The  face  of  Earth  -­‐  What  we  see  (Observations)  Earth’s  surface  consists  of   continents  and  oceans,  including  mountain  belts  and  “stable”  interiors  of   continents.    Beneath  the  ocean,  there  are  continental  shelfs  &  slopes,  deep   sea  basins,  seamounts,  deep  trenches  and  high  mountain  ridges.    We  also   know  that  Earth  is  dynamic  and  earthquakes  and  volcanoes  are  concentrated   in  certain  zones.     • How  can  we  explain  what  we  see?    Continental  drift-­‐An  idea     before  its  time.    Alfred  Wegener  first  proposed  his  continental  drift   hypothesis  in  1915.    He  named  a  supercontinent  called  Pangaea  (Pan-­‐jee-­‐ ah)  that  began  breaking  apart  about  200  million  years  ago  &  the  continents   then  drifted  into  their  current  positions.    Evidence  used  in  support  of   continental  drift  hypothesis     • Fit  of  the  continents  –  like  puzzle  pieces     • • • Fossil  evidence  –  fossils  match  up  across  separate   continents   Rock  type  and  structural  similarities  –  (e.g.  Appalachian   and  Caledonian  Mtns     Paleoclimatic  evidence     •   There  were  objections  to  the  continental  drift  hypothesis.    There  was   a  Lack  of  a  mechanism  for  moving  continents.  Wegener  incorrectly   suggested  that  continents  broke  through  the  ocean  crust,  much  like   ice  breakers  cut  through  ice.    Wegener’s  hypothesis  was  correct  in   principle,  but  contained  incorrect  details  and  there  was  strong   opposition  to  the  hypothesis  from  all  areas  of  the  scientific   community  –  although  some  thought  his  ideas  were  plausible.     During  the  1950s  and  1960s  technological  strides  permitted  extensive   mapping  of  the  ocean  floor    and  the  Seafloor  Spreading  hypothesis  was   proposed  by  Harry  Hess  in  the  early  1960s.    He  hypothesized  that    the  mid-­‐ oceanic  ridges  were  spreading  centers  where  new  crust  is  formed.     •   • Evidence  for  Seafloor  spreading   •Age  of  seafloor  rocks:  Progressively  younger  toward  the  mid-­‐oceanic   ridge  –  evidence  from  drilling  ocean  floor   •Thickness  of  seafloor  sediments:  Progressively  thinner  toward  the   ridge  –  evidence  from  drilling  ocean  floor   •Paleomagnetic  reversals  –  the  most  convincing  evidence   • Earth  has  a  dipolar  magnetic  field   • Earth’s  magnetic  polarity  reverses  periodically   • Geomagnetic  reversals  are  recorded  in  the  iron  bearing  rocks   igneous  rocks  of  the  ocean  crust  as  symmetrical  magnetic   anomalies  (stripes).   • In  1963  Vine  and  Matthews  tied  the  discovery  of  magnetic   stripes  in  the  ocean  crust  near  ridges  to  Hess’s  concept  of   seafloor  spreading       • Plate  tectonics  -­‐  A  unified  theory:  Study  the  dynamic  creation,  movement,   and  destruction  processes  of  plates.    There  are  7  major  plates  associated   with  Earth's  strong,  rigid  outer  layer  (the  lithosphere-­‐  uppermost  mantle   and  overlying  crust)    The  lithosphere  overlies  a  weaker  region  in  the   mantle  called  the  asthenosphere.    The  plates  move  relative  to  each  other  at   a  very  slow  but  continuous  rate    and  the  rates  are  different  on  each  plate  -­‐   Average  5  centimeters  (2  inches)  per  year  (approx.  growth  rate  of  human   fingernails).  The  rates  and  direction  of  movement  changes  over  time.   Dynamic  actions  are  concentrated  along  plate  boundaries:  Defined  by   the  areas  of  concentrated  seismic  and  volcanic  activities,  rifts,  faults,  and   mountain  ridges.     • • There  are  3  major  types  of  plate  boundaries   • Divergent:  plates  moving  apart  and  new  lithosphere  is  produced  at   mid-­‐oceanic  ridge.    Divergent  boundaries  are  also  associated  with   continental  rifting  as  two  landmasses  split  apart  due  to   extensional  forces  acting  on  the  plates  (e.g.  East  African  rift   valley).       • Convergent:  plates  collide,  subduction  (Cooler,  denser  slabs  of   oceanic  lithosphere  descend  into  the  mantle)  and  mountain   building.    Old  crust  is  “crumpled”  or  recycled  back  into  the  mantle.     There  are  3  types  of  convergent  boundaries.   • Oceanic-­‐Oceanic:  Formed  when  two  oceanic  slabs  converge   and  one  descends  beneath  the  other.    Volcanoes  are  often   formed  on  the  ocean  floor.    If  the  volcanoes  emerge  as   islands,  a  volcanic  island  arc  is  formed  (Japan,  Aleutian   islands,  Tonga  islands)     • Oceanic-­‐Continental:  Formed  when  ocean  crust  is   subducted  beneath  continental  crust.    Melting  adds   material  to  the  continental  crust  and  volcanic  arcs  are   formed  on  the  continent  (e.g.  Cascades  of  the  Pacific   Northwest  U.S.)   • Continental-­‐continental:    Continued  subduction  can  bring   two  continents  together  and  the  less  dense,  buoyant   continental  lithosphere  does  not  subduct.    The  resulting   collision  between  two  continental  blocks  produces   mountains  (Examples:  Himalayas,  Alps,  Appalachians)     • Transform:  two  plates  slide  past  one  another  and  no  new   lithosphere  is  created  or  destroyed.    Most  join  two  segments  of  a   mid-­‐ocean  ridge  along  breaks  in  the  oceanic  crust  known  as   fracture  zones.    A  few  (the  San  Andreas  fault  and  the  Alpine  fault  of   New  Zealand)  cut  through  continental  crust.     Hot  Spots    are  caused  by  rising  plumes  of  mantle  material  (mantle  plume).     The  magma  source  may  be  near  the  core-­‐mantle  boundary.  Volcanoes  can   form  over  them  (Hawaiian  Island  chain).    They  are  generally  stationary  and   can  be  located  beneath  continents  (Yellowstone)  and  oceans  (Hawaii).    The   age  of  volcanoes/islands  (e.g.  Hawaii)  can  be  used  to  determine  the  direction   and  rate  of  plate  movement.    The  Hawaii-­‐Emperor  Seamount  formed  over  a   hot  spot.    The  bend  of  this  seamount  chain  represents  a  change  in  direction  of   plate  motion.     Paleomagnetism  in  rocks  on  the  ocean  floor  provides  a   method  for  determining  plate  motions,  and  bBoth  the   direction  and  rate  of  seafloor  spreading  can  be  established   • Plate  motions  can  also  be  measured    from  space  by   establishing  exact  locations  on  opposite  sides  of  a   plate  boundary  and  measuring  relative  motions.     What  drives  plate  motions?    Researchers  agree  that  convective  flow  in   the  mantle  is  the  basic  driving  force  of  plate  tectonics.    Forces  that  drive   plate  motions  include  Slab-­‐pull  –  probably  the  most  significant  force,   Ridge-­‐push  and    Slab  suction.   • •       • The  Wilson  Cycle  –  shows  the  cyclic  nature  of  Plate  Tectonics     Tectonics  builds  mountains.    What  happens  to  mountains  when  they   erode?    Erosion  and  isostacy  are  interrelated.    Because  of  isostacy,  if  ice  is   floating  in  water  and  some  is  removed  above  the  waterline  the  ice  rises  so   that  10%  of  the  ice  is  always  above  the  waterline.    The  erosion  of  mountains   from  continents  result  in  a  similar  but  slower  “bobbing  up”  of  the  continents  to   “isostatic  equilibrium”&  with  more  material  bobbing  up,  they  take  a  long  time  to   erode  down.     • Plate  Tectonics  &  Environmental  Geology  –The  Significance  of  tectonic   cycle   – Global  zones  of  resources  (oil,  gas,  and  mineral  ores)-­‐processes   and  Earth’s  structures  help  create  and  localize  resources  in   certain  areas)   – Global  belts  of  earthquakes  and  volcanic  activities  &  safety  issues   (e.g.  U.S.  East  Coast-­‐quiet  vs.  West  Coast-­‐active)   – Geologic  knowledge  on  plate  tectonics:  Foundation  for  urban   development  and  hazard  mitigation   – Impacts  on  the  landscape  and  global  climates  (e.g.  mountainous   vs.  low/flat  and  climate  change  over  time  due  to  drift)