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GEOL 100 (1)

Geology 100 notes from beginning of semester until March 10th

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GEOL 100
Tracey Centorbi

  Geology  Ch.1­Earth in Context ­Cosmology: study of the universe and how it has changed over time ­Light  ­we treat light as a wave and not a particle  ­Ole Roemer observing the moon of Jupiter, Lo ­expected to predict motion precisely ­Lo sometimes appeared ahead when earth closer to Jupiter ­calculated 186,000miles per sec (300,000km per sec) ­Galaxy ­how big is it? ­300 billion stars ­100,000 light years across  ­250 my rotations  ­The Droppler Effect  ­Frequency is compressed or elongated based on the frame of reference ­light also moves as a wave that can be compressed or stretched based on  your perspective  ­The Expanding Universe Theory  ­in the 1920s Hubble realized the “red shift” (stars were more red then we  expected) of distant galaxies MUST mean they were rapidly moving away from us ­The Big Bang Theory  ­all matter is an infinitesimally small point ­expansion at the speed of light  ­nucleosynthesis: the creation of new atoms ­Hydrogen atoms created after~1 sec ­other atoms~3­5min (He, Li, Be, B) ­eventually, Nucleosynthesis stopped ­Temp dropped­atoms in plasma ­Chemical bonds formed ­matter accumulated into nebulae(huge masses of material, filled with loads of  energy BIRTH PLACES OF STARS) ­Stars ­gravity began to rework the matter in the universe ­denser portions of nebulae began to pull in surrounding gases  ­evolved into a n accretion disk ­Protostars continue to grow by pulling in more mass until core temperatures  reach 10 million degrees ­fus ­Stellar nucleosynthesis follows an evolution  ­most stars can only produce elements up to Fe  ­Supernova­violent explosions(produce all the heavy elements in mere fractions of  a  second) ­some stars only live only tens to millions of years before they die ­making our solar system ­formed 4.56 Ga ­probably a 3  or 4  generation star ­our solar system condensed from a protoplanetary disk with a proto­sun ­disk was hotter toward the center dust vs ice ­Nebular Theory of planetary formation ­as the sun forms, the outer parts of the nebula organize into the rotating  proroplanetary disk ­gas and dust clump together into planetesimals(>1km) ­Planetesimals sweep up material from its part of the disk ­Fit with nebular theory? ­elliptical orbits of planets nearly the same  ­flattened plane consistent  ­chemical differentiation consistent ­Pluto? Not on same orbits of disk as planets and very faraway ­99.8% of solar system mass in the sun ­jupiter is 71% of non­solar mass ­our solar system proper extends well beyond(non­planet) pluto ­inner “rocky” or “terrestrial” planets  ­outer “jovian” or “gas giant” planets  ­most planets are circled by moons  ­Refactory and volatile elements  ­chemical differentiation of the solar system occurred b/c of the different freeing  points of the elements: ­elements with high freezing points are called refractory (ex. Iron)­melt at high temps: Tend to be denser -Elements and compounds with low freezing points are called volatile (ex.hydrogen, water) – melt at low temperatures. Tend to be less dense -The Terrestrial (inner) Planets -broadly similar in size• richer in elements like iron (Fe), silicon (Si), oxygen (O), aluminum (Al) and magnesium (Mg) ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 1/31 -all planets have core and mantel -some planets have slight weather but earth is dif because of our oxygen and so we have a crust -all other planets have mountains and valleys -comparing and contrasting other planets -earth has a strong magnetic field (both pos and neg) unlike other planets -solar wind’s charged particles coming into our atmosphere but it is not as strong due to magnetic field -some of these particles go through magnetosphere and close to surface creating aurorae (the lights in the sky) -all planets have atmospheres(concentration of gases surrounding the planet) -earth has thicker atmosphere and contains more gasses (way more oxygen than other planets) -gravity keeps our atmosphere within 50kn of our surface -atmospheric pressure is the weight of the atmosphere pushing down on you (force) -the atmosphere is more dense towards the bottom and less dense when going up -our atmosphere stays abundant with oxygen due to the life activity on the planet -we have both dry and wet surface unlike other planets:30%land 70%oceans -craters from meteors can be found on earth’s surface -most surface is below sea level (most about 3-5km below) -sea depth can be greater than highest mountains -iron most common element 35% in earth with oxygen at 30% -silicon15%, magnesium10%, other 10% -organic: contain carbon -glass has dif structure than minerals -rocks: igneous, sedimentary, metamorphic -alloy is a mixture of different metals -volitiles :liquid minerals -core is layered and segregated and effected how our earth formed -inner core, outer core(molten), mantle(solid), crust(unique to our planet) -core is dense…lighter material rose and created mantle and crust -only ever dug into crust -seismic waves mostly go into center of earth and will change direction/speed when entering different density; notifying us of the layers -outer core(liquid metal that convects(constantly moving)) which causes the magnetic field. -inner core(solid metal and super heated) rotates slightly faster than the rest(about the size of our moon) -half of crust’s volume is oxygen -when planet first formed, the whole core was solid and some of it is able to remain solid due to the pressure -the mantle: largest part of earth(volume wise) -consists of ultramafic peridotite (different than other layers) -most top of mantle gets cool enough and cracks/fractured(lithosphereic mantle) -crust tends to be concentrated by lightest materials -“Moho” separates crust from mantle -crusts: oceanic(mafic: ) and continental (felsic :iron, silicone, calcium) -continental crust can become thicker ie. Mountains -plate=crust + lithospheric mantle -12 major plates(names based on continental map) -most plates consist of both oceanic and continental crusts 2/3 PLATE TECTONICS -Alfred Wegner-german meteorologist postulated in his book about Pangaea had existed about 200 million years before(supercontinent) est.1915 -wasn’t the fist to think of the idea but first to take many areas of evidence and put them together -continental shells that could break off made some puzzle fitting harder but with that in mind, when eliminating the shells, they fit by over 90% Glacial Evidence -glaciers at high altitudes (close to poles or mountains) -all glaciers flow downhill due to gravity -really heavy so they grind the rock beneath them as they flow and leave behind grooves (striations) that tell you what direction the glacier flowed when it was active -the striations from about 200million years ago, seemed to be moving up or towards warmer areas which made no sense due to the laws of physics -there also seem to be swamps, reefs, deserts, ect. Tend to form near equator -rocks and materials on different continents were the same and of the same age -Fossil remains found of living organisms that were the same on different continents -they concluded that the continents had been in different areas(pangeae) Mantle convection ­Holmes began to describe the mantle’s heat flow in terms of convection  ­earths core is super hot and some of the  heat is transferred to mantle ­when the material is heated up, it expands and becomes less dense and rise until it finds  an area of equal density (the base of the crust) ­some of that heat leaves and the space contracts, becomes more dense and sinks  ­this Cycle then continues on and on which can possibly push around the surface Earths magnetic field ­invisible field because of its multi metals in its outer core ­two components: direction and inclination (when moving up from equator the northern  pointer on a compass will shift to adjust to where north is because it is not just a straight  line up ) ? ­sometimes the magnetic field can be parallel to the equator  ­two different equators (magnetic and geographic) they intersect  ­Palemognetism: salt comes out of volcano and solidify. After we can figure out where  the magnetic pole was when it solidified due to the iron in it  1/5 Harry Hess and Marine Geology  ­navy wanted to know what the ocean floor looked like around the 40s to know of  ­echo­sounding was used to find the features of the bottom  ­found… ­ridges(underwater mountains)(some had volcanic activity) ­sea mounts (isolated high, rounded spots) (guyouts had flat tops) ­abyssal plains  ­trenches(ocean got very deep) ­fracture zones: LOOK UP ­oceans are younger than continents and close to mantle composition  Sea Floor Spreading  ­the hot rocks rising through the ridges were pushing up new crust  ­the old crust is then cooled off and consumed at the same rate back under the crust into  the mantle  Why do plates move? ­ridge pushing as new magma is coming up  ­ slab pull(denser than material that surrounds, so it sinks) ­mantle convection: friction from beneath  Magnetic Reversals ­magnets would have used to point towards the south pole (reverse magnetic) ­today they point to the north(normal magnetics) ­some rocks on the ocean floor today are of the normal magnetics(making a  strong, positive magnetic field) and some are of the reversal magnetics(making a  weak, negative magnetic field) Hot Spots ­where volcanoes exist far from plate boundaries ­spots in mantle can be hotter than rocks surrounding them, making them less dense and  causing them to rise (mantle plume) ­The crust is moving as this is going on so a string of volcanoes will emerge  ex: Hawaiian islands  The Paradigm Shift ­continental crust is thicker and more dense than the oceanic crust Tectonic plates ­12 major plates(mix of continental and oceanic crust  ­plates move relative to each other and underlying asthenosphere  ­active margin: the plate boundaries are near continental coasts so theres more volcanoes,  earthquakes, etc… ­passive margin: the plate boundaries are in the ocean and not too close to a continent  Special plate locations  ­triple junctions(three plates coming together and have more earthquakes occurring) seismic tomography  ­x­ray for the earth to see the slabs from subduction zones going to the mantle  2/10 Minerals ­industrial minerals: raw materials for manufacturing materials ­ore minerals: source of metals and energy  ­gems: jewelry and investments ­form rocks: solid rocks sliced and formed for construction  ­some contain isotopes: numerical age dating for time rock formed (isotopes can also tell  temp of planet during that time) Minerals: ­more than 4,000 minerals  ­developed societies depend on mineral resources which can be divided into Metals and  Non­metals  ­economically important: “the iron age”, “the bronze age”, “the gold rush”, diamonds and  gems  whats a mineral? ­homogeneous: cant be broken into something more simple  ­naturally occurring: formed naturally  ­solid: not a liquid or gas , maintains shape ­inorganic substance: contains no organic chemicals (except something that was created  by something alive and buried and altered ex: fossils) ­definable chemical composition: write a chemical formula (ex. SiO2  quartz) ­orderly arrangement of atoms in a lattice: atoms in fixed, specific pattern  ­glass in not a mineral but quartz is b/c it has a consistent pattern  ­if a melt cools almost immediately, it is more likely to form glass than a mineral due to  the lack of time for the atoms to get in a perfect formation  Crystals ­mineral: halite (sodium and chlorine) aka: rock salt ­bounding by crystal faces: it will try and take on its ideal shape due to environment  ­not dependent on size ­consistency of interfacial angles  ­same mineral will have same crystal faces ­adjacent faces are always the same angle  ­crystal faces reflect the internal atomic order ­crystal lattice ­atoms in crystals form a 3D lattice  ­patterns repeat in 3 dimensions  ­internal pattern controls most mineral properties  ­crystal shape, symmetry  Atomic bonding  ­atoms are held in place by atomic bonds  ­bonds govern mineral properties  ­models depict atoms, bonds and lattices types of bonds ­covalent bonds ­electron sharing and very strong Ex: diamonds  ­ionic bond  ­attractions between ions, moderate strength, soluble in water  ­Van Der Waals ­weak attraction, between covalent sheets (usually soft objects) ­Metallic ­electrons shared by all electrons, conductivity, malleability/ductility ­hydrogen bond ­slight in balance in bond (type of dipole) ex: Water Polymorphs  ­diamond and graphite are both made entirely of carbon, yet they have different physical  properties(polymorphs) ­diamonds are strong in all directions  ­graphite has sheets of covalent bonds that are bound together with Van der Waals When do minerals form? ­crystallization on cooling  ­precipitation at low temp ­solid state diffusion (recrystallization) (solid state diffusion) aka: rocks are composed of crystals at some level Crystal Growth ­minerals grow outward to fill the available space ­if minerals can grow unimpeded, they will have perfect symmetry (anhedral crystals) ­close to perfectly shaped due to different exterior shape (euhedral crystals) (distinctive  faces) Mineral Physical Properties  ­macroscopic characteristics  ­used to id minerals ­properties depend on chemical composition and crystal structure  ­some are diagnostic  How to identify minerals ­color of mineral is not a distinct indicator ! ­streak: color of mineral powder ­luster: way light is reflected on surface ­hardness: relative ability to resist scratching  ­Cleavage/fracture: the way the mineral breaks ­cleavage: tendency to break along planes of lattice weakness ­produces flat, shiny surfaces ­described by the number of planes and their angles  ­Fracture: some minerals lack planes of lattice weakness ­due to equal molecular bonds in all directions ­specific gravity : density  ­crystal habit: shape it normally grows ­specific features: taste, smell, magnetic 2/12 Main mineral classes: silicates  ­majority of earths minerals ­silicon­oxygen tetrahedron ­large variety depends on  ­how tetrahedra link ­cations ­ex: quartz(in beach sand), olivine, feldspar(most common mineral in crust) Rock forming silicates  ­silicates make up 95% of the crust  ­most important rock­forming minerals ­quartz, feldspar, *mica(and clays), *amphibole, *pyroxene, *olivine *=ferromagnesian silicates  ferromagnesian silicates  ­structure can be very simple to very complicated with iron, magnesium, and other metals ­Olivine group: no shared oxygen (least complex) ­Pyroxene group: 2 shared oxygen ­Amphibole group: 2 or 3 shared oxygen ­Mica group: 3 shared oxygen in all directions (most complex) Mica ­sheet silicate  ­link weakly with large “interlayer”cations with metal cations  Quartz ­framework silicate ­4 shared oxygen  ­the quartz does not have planes of weak bonds, no cleavage (fracture into irregular  patterns, not equal pieces) Feldspar  ­framwork silicate ­4 shared oxygen  ­feldspar structure has planes of weak bonds(2 cleavage planes)(break along layer where  metal layers are) Oxides  ­metal cations+oxygen anions  ­many ores are oxides ­EX ­hematite ­bauxite ­magnetite (magnetic) ­spinel (found in volcanoes) Sulfides  ­often have a metallic appearance  ­metal cation + sulfide (reduced sulfur) ­some oxidize in water to form sulfuric acid ­EX ­Galena ­pyrite Sulfates ­metal cations + sulfate ion  ­precipitates­ anhydrite stable at higher pressures and temperatures ­EX ­gypsum Halides(almost always have negative 1 charge) ­weakly bonded(ionic bonds) ­cation + halogen ion  ­EX ­hailte ­fluorite (fluoride in water) Carbonates ­global carbon cycle reservoir  ­used in building  ­very easily weathered  ­reacts with acid ­EX ­Calcite (limestone, marble) ­Aragonite (stable at high pressure )   Native Elements ­usually small deposits ­concentrated by hydrothermal processes  ­EX ­gold ­silver ­copper ­sulfur  Gems  ­minerals with special value ­rare, beautiful  ­color, interacts with light ­dispersion, high refractive index ­gems are cut and polished to be used in jewelry  ­facets are grounded by a machine ­not natural crystal faces Diamonds  ­originate under extremely high pressures  ­150 km below earth surface (upper mantle) ­pure carbon is compressed into the diamond structure ­deep mantle rock to moves upward ­diamonds are found in kimberlite pipes (places where mantle would shoot up through  the crust) Rocks  ­earth materials made form minerals ­most rocks contain more than one kind of mineral  ­ex: granite… quartz(grey), hornblende(black), k­feldspar (pink) What makes it a rock ­Coherent­ solid and cohesive  ­naturally occurring ­aggregate­composed of minerals or glass; collection of materials  ­grains What is the net charge of a silicon oxygen tetrahedron? 2) ­4  What useful material resources do oxides provide us with? 1)metal ores What mineral is a polymorph of diamond? 3) Graphite  2/17 Igneous Rocks (cooling of molten rock) Igneous rock formation  ­Lava: molten when it reaches surface of earth  ­Magma: molten beneath surface ­collection and solidification of pyroclastic debris (what shoots out of volcanoe) ­ash, ash flow, bombs (big pieces of molten) Why rocks melt *mantle is solid, not molten (with a couple exceptions near the surface) ­increase temperature, decrease pressure, add water/volatiles (subducting oceanic crust) ­temperature and pressure increases as you go deeper into earth  ­Oceanic Geotherm: RESEARCH ­Solidus: temp and pressure at which rock will begin to melt ­Liquidus: temp and pressure at which rock will be entirely molten ­partial melting is very common  Why does magma rise? ­magma is hotter and less dense than surrounding material  ­rises through cracks until density equalizes or it reaches the surface ­liquid being squeezed out by overlying pressure  ­bubbles form (gases: water vapor, carbon dioxide, etc..)and propel molten  ­decompression from divergent plate boundaries  igneous rock classification  ­2 things needed to classify  ­composition (what makes up the rock: minerals) ­texture(size of grains that make the rock)  composition of Magma ­all magma contains silicon and oxygen  ­differ by proportion of silica to Fe/Mg minerals and physical properties  Major types of Magma 1)felsic(silicic): 66­76% silica, low Fe/Mg minerals 2)intermediate:52­66% silica (half and half) 3)mafic:45­52% silica, high Fe/Mg minerals 4)ultramafic: mostly Fe/Mg minerals, 38­45% silica (not too common on surface) ­density decreases as silica content decreases ­FINISH w/ arrow pic Viscosity: resistance to flow (honey vs. water) ­determined by silica content, temp and volatiles ­high viscosity ­low temp, high silica content, lower volatile content, melt source=crust ­low viscosity ­high temp, low silica content, higher volatile content, melt source=mantle What controls the composition of magma  1)source of melt ­crust (felsic): more silica ­mantle (mafic): more iron and magnesium  2)Assimilation/stoping (how it moves through the crust/how much is incorporated) ­incorporation of existing material into melt  3)fractional crystallization  ­different minerals crystallize at different Temp 2/19  Igneous rocks continued Bowens Reaction Series  ­melting different types of minerals and seeing at which temps they crystalize ­melt becomes more silicic as crystallization progresses  ­as time increases and temp decreases silica content increases ­a crystalized melt can squeeze out the melt that is left behind or a rock can partially m
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