Geofizika

Stoletnica odkritja MohoroviËiÊeve diskontinuitete

Andrej Gosar

Fotografija Andrije MohoroviËiÊa iz leta 1926. Letos mineva sto let od za geofiziko zelo pomembnega odkritja meje med Zemljino skorjo in njenim plašËem. Hrvaški seizmolog Andrija MohoroviËiÊ je pri analizi seizmogramov potresa, ki se je zgodil 8. oktobra leta 1909 v dolini Kolpe, ugotovil, da podatkov ni mogoËe razložiti drugaËe, kakor da obstaja v globini približno 50 kilometrov izrazit skok (diskontinuiteta) v hitrosti, ki loËuje zgornjo plast s hitrostjo longitudinalnega potresnega valovanja približno 7 kilometrov na sekundo od spodnje plasti s hitrostjo približno 8 kilometrov na sekundo. Poznejše raziskave so pokazale, da ta hitrostna meja obstaja povsod po svetu. V Ëast njenemu odkritelju so jo poimenovali MohoroviËiÊeva diskontinuiteta.

Andrija MohoroviËiÊ

Andrija MohoroviËiÊ (1857∑1936) se je rodil 23. januarja leta 1857 v Voloskem pri Opatiji. Na praški univerzi je študiral matematiko in fiziko. Po diplomi je uËil na gimnazijah v Zagrebu in Osijeku ter na pomorski šoli v Bakru. Leta 1892 je postal direktor Meteorološkega observatorija v Zagrebu. Naslednje leto je doktoriral na zagrebški univerzi, kjer je pozneje postal profesor geofizike in astronomije. Leta 1898 je postal redni Ëlan Jugoslovanske akademije znanosti in umetnosti. Na zaËetku svoje poklicne poti se je MohoroviËiÊ posvetil meteorologiji, in sicer razliËnim meteorološkim pojavom, od dinamike ozraËja do opazovanja redkih dogodkov. Raziskoval je tudi podnebje Zagreba in zniževanje temperature z višino. Zaradi pomanjkanja inštrumentov za opazovanje kroženja v ozraËju je izdelal nefoskop, inštrument za opazovanje oblakov, podoben cameri obscuri. Ta opazovanja so bila podlaga za njegovo doktorsko disertacijo. Prvi je opisal atmosferske rotorje z vodoravno osjo, ki jih je odkril pri opazovanju

Vir: Herak in Herak, 2007: Seismological Research Letters.

Andrej Gosar je seizmolog na Uradu za seizmologijo in geologijo Agencije Republike Slovenije za okolje in izredni profesor za podroËje uporabne geofizike na Naravoslovnotehniški fakulteti Univerze v Ljubljani. Glavna podroËja njegovega delovanja so: raziskave vplivov geološke zgradbe na potresno nihanje tal, raziskave z metodo mikrotremorjev za oceno resonanËnih uËinkov med tlemi in stavbami v primeru potresa, seizmotektonika, potresna nevarnost, globoke seizmiËne raziskave Zemljine skorje in visokoloËljive refleksijske seizmiËne raziskave. burje v severnem Jadranu. Bil je tudi prvi na Hrvaškem, ki je objavljal vremensko napoved v dnevnih Ëasopisih. Na prelomu stoletja se je MohoroviËiÊevo znanstveno zanimanje skoraj v celoti preusmerilo v seizmologijo. Razlogi za tak strokovni preobrat niso znani, domnevajo pa, da ga je povzroËila moËna potresna dejavnost v okolici Zagreba konec 19. stoletja, saj je leta 1880 Zagreb prizadel rušilni potres. MohoroviËiÊ je leta 1906 osnoval zagrebško potresno opazovalnico. Poleg odkritja diskontinuitete, ki se imenuje po njem in je podrobno opisana v nadaljevanju, je MohoroviËiÊevo delo opazno tudi na drugih podroËjih seizmologije. Tako je razvil uËinkovito metodo za doloËanje æariπËa potresov, metodo za doloËitev celotnega trenja v mehanskih seizmografih, napravil naËrte za povsem nov seizmograf in izdelal številne izboljšane krivulje potovanja potresnega valovanja. Bil je tudi eden prvih, ki se je zavedal pomembnosti potresno odporne gradnje in postavil temelje zanjo. MohoroviËiÊevo daljnovidnost pri razumevanju takrat še zelo mlade vede seizmologije kaže tudi njegov zapis: ≈Naloga seizmologije je, da raziskuje notranjost Zemlje in nadaljuje tam, kjer se geologija neha. V modernih seizmografih ima ta veda neke vrste daljnogled, ki omogoËa pogled v najveËje globine.«

Odkritje MohoroviËiÊeve diskontinuitete

Potres z magnitudo 6,0 je nastal 8. oktobra leta 1909 približno 40 km jugovzhodno od Zagreba v dolini Kolpe. MohoroviËiÊ je uspel zanj pridobiti podatke skoraj vseh takratnih evropskih potresnih opazovalnic. Ko je hotel te podatke analizirati po do takrat uveljavljenih postopkih, je naletel na nesoglasja. Najprej mu ni uspelo enoznaËno doloËiti globine žarišËa potresa, potem pa je na nekaterih seizmogramih našel po dva prihoda (ali fazi) longitudinalnega (P) in transverzalnega (S) valovanja, Ëeprav bi po takratnem vedenju o notranji zgradbi Zemlje morala biti samo po ena taka faza. Zato je predpostavil hitrostno diskontinuiteto na globini približno 54 kilometrov, ki loËuje Zemljino skorjo od njenega plašËa. Nad njo je hitrost P-valov približno 5,68 kilometrov na sekundo, pod njo pa 7,75 kilometrov na sekundo. Ustrezni hitrosti S-valov sta 3,32 kilometrov na sekundo nad diskontinuiteto in 4,18 kilometrov na sekundo pod njo. Tako je lahko pojasnil, zakaj prideta do potresnih opazovalnic, ki so oddaljene od 300 do 720 kilometrov, po dve fazi (Pg in Pn ter Sg in Sn) za vsako vrsto valovanja (glej sliko na strani 104). Fazi, katerih potresno valovanje se je širilo samo v skorji, je imenoval individualni fazi (Pg in Sg), fazi valovanja, ki se je širilo tudi skozi plašË, pa normalni

Prerez Zemljine skorje in plašËa s potmi potresnega valovanja in znaËilnimi seizmogrami na razliËno oddaljenih potresnih opazovalnicah (zgoraj). Diagram odvisnosti Ëasa potovanja potresnega valovanja od razdalje za razliËne poti (spodaj). fazi (Pn in Sn). Pri tem se valovanje na hitrostni meji zaradi velike hitrostne razlike izrazito lomi. Zaradi veËje hitrosti širjenja v plašËu valovanje normalnih faz na dovolj veliki razdalji prehiti valovanje individualnih faz, Ëeprav je njegova pot daljša. Pojav normalnih faz je opazil na potresnih opazovalnicah, oddaljenih veË kakor 300 kilometrov. Na razdalji, veËji od 720 kilometrov, hitrostna razlika prepreËuje potovanje individualnih faz. Pri oddaljenih potresnih opazovalnicah tako vidimo le še fazi Pn in Sn. Prav tako pri opazovalnicah, ki so bližje od 300 kilometrov, vidimo le prihode faz Pg in Sg. Druga njegova predpostavka je bila, da hitrost v Zemljini skorji narašËa z globino, kar povzroËa ukrivljenost valovnih žarkov proti površju Zemlje. Poleg tega je izpeljal preprost postopek, po katerem je na podlagi podatkov bližnjih potresnih opazovalnic lahko nedvoumno doloËil globino žarišËa, ki je bila za potres v dolini Kolpe približno 25 kilometrov. Svoja opažanja in zakljuËke je MohoroviËiÊ objavil v letnem poroËilu zagrebškega meteorološkega observatorija v hrvaškem in nemškem jeziku. Gre za kar 56 strani dolgo delo, v katerem je izËrpno opisal svoja opažanja, poskuse, zamisli, dvome in pomisleke. ©tevilo tem, ki jih je obravnaval v tem Ëlanku, je impresivno. Poznejše raziskave so pokazale, da hitrostna diskontinuiteta, ki jo je odkril MohoroviËiÊ, obstaja povsod po svetu, zato so jo poimenovali MohoroviËiÊeva diskontinuiteta ali na kratko Moho. Pomeni osnovno definicijo meje med Zemljino skor-

jo in njenim plašËem. Druge opredelitve razlike med skorjo in plašËem obsegajo gostoto, vrsto kamnin, mineraloško in kemiËno sestavo.

Raziskave debeline Zemljine skorje

Danes vemo, da se hitrost P-valov na MohoroviËiÊevi diskontinuiteti skokovito spremeni od 6,5 do 7,2 kilometrov na sekundi v spodnjem delu skorje na 7,8 do 8,5 kilometrov na sekundo v vrhnjem delu plašËa. To so vrednosti, ki so nekoliko veËje od tistih, ki jih je napovedal MohoroviËiÊ. Tudi gostota kamnin se na tej meji znatno poveËa ∑ od 2,9 gramov na kubiËni centimeter na 3,3 gramov na kubiËni centimeter. MohoroviËiÊeva diskontinuiteta se pod celinami nahaja v globini od 25 do 40 kilometrov, pod oceanskim dnom pa od 5 in 8 kilometrov globoko. Pod nekaterimi gorskimi verigami (Alpe, Himalaja) doseže celo globino od 50 do 60 kilometrov. Na širšem obmoËju Slovenije, kjer Alpe prehajajo v Dinaride, Panonski bazen in Jadransko morje, se debelina Zemljine skorje izrazito spremeni na razmeroma majhni razdalji. Poznavanje debeline skorje je pomembno za razumevanje tektonskih in geodinamiËnih procesov, toplotnega polja in za doloËitev æariπËa potresov. Skorja tvori skupaj z vrhnjim delom plašËa litosferske plošËe, ki so debele približno 100 kilometrov in se stalno premikajo (teorija tektonike plošË). Najbolj burna geološka dogajanja, kakršna so potresi, vulkani in nastajanje gorovij, so povezana s stiki teh plošË, ki se lahko razmikajo, podrivajo ali drsijo druga ob drugi. V

Prikaz razliËnih seizmoloških in geofizikalnih metod ugotavljanja debeline Zemljine skorje. Prirejeno po Grad et al., 2009: Geophysical Journal International.

Karta profilov globokih seizmiËnih raziskav v okviru projekta Alp2002. VeËji krogci oznaËujejo toËke moËnih eksplozij, manjši pa mesta seizmografov.

Avtor: Andrej Gosar. zadnjih desetletjih zato potekajo po celem svetu intenzivne raziskave Zemljine skorje. Globino do MohoroviËiÊeve diskontinuitete raziskujemo z razliËnimi geofizikalnimi metodami, ki so shematsko predstavljene na sliki. NajuËinkovitejše so seizmiËne metode, ki so lahko pasivne (opazovanje naravnih potresov) ali aktivne (potresno valovanje prožimo z moËnimi eksplozijami). SeizmiËne metode uporabljajo razliËne vrste potresnega valovanja, od prostorskega (P in S) do površinskega. Vsaka vrsta ima znaËilne frekvence in valovne dolžine, kar se kaže v loËljivosti in natanËnosti izraËunanih modelov. Disperzija dolgovalovnega površinskega valovanja (z nihajnim Ëasom od 10 do 100 sekund), ki nastane pri plitvih regionalnih potresih, omogoËa inverzijo v globinsko porazdelitev seizmiËnih hitrosti in tomografijo površinskega valovanja. Na ta naËin lahko razišËemo obsežna obmoËja z boËno loËljivostjo reda velikosti od 50 do 100 kilometrov in natanËnostjo doloËitve globine MohoroviËiÊeve diskontinuitete ± 4 do 5 kilometrov. Zato se ta metoda uporablja predvsem za raziskave oceanske skorje, kjer je zelo malo potresnih opazovalnic ali možnosti za aktivne seizmiËne meritve. Najboljšo loËljivost imajo refleksijske seizmiËne raziskave, ki uporabljajo kratkovalovno prostorsko valovanje (z nihajnim Ëasom od 0,02 do 0,1 sekunde), kar omogoËa podrobno opredelitev globokih struktur Zemljine skorje. Zaradi potrebe po zelo gosti razporeditvi eksplozij in sprejemnih geofonov vzdolž merskih profilov so to najdražje raziskave, ki se zato uporabljajo le v omejenem obsegu. Za pojasnitev zelo zapletene strukturnogeološke zgradbe Alp so bili do sedaj preko njih izmerjeni trije globoki refleksijski profili. Precejšnja razlika v gostoti med kamninami skorje in plašËa omogoËa raziskave debeline skorje

z gravimetrijo, in sicer z zelo natanËnimi meritvami razlik v Zemljinem težnem pospešku, ki so posledica boËnih razlik v gostoti. Globoko seizmiËno sondiranje uporablja seizmiËno valovanje, ki se lomi (refrakcija) na MohoroviËiÊevi diskontinuiteti ali od nje odbija (širokokotna refleksija). Pri teh raziskavah so potrebne zelo moËne eksplozije (veË sto kilogramov eksploziva) in porazdelitev sprejemnih seizmografov do oddaljenosti veË sto kilometrov od seizmiËnega vira. Uporabljena valovanja so srednjih valovnih dolžin (nihajni Ëas približno 0,1 sekunde), kar omogoËa natanËnost doloËitve globine reda velikosti ± 1 do 2 kilometra. Ta metoda je najbližja metodi, ki jo je uporabil že MohoroviËiÊ, s to razliko, da sta za razliko od naravnega potresa položaj in trenutek eksplozije znana in zato natanËnost doloËitve veËja. Potresne valove zelo oddaljenih potresov (teleseizmov) uporablja metoda sprejemnikove funkcije. Na MohoroviËiÊevi diskontinuiteti se del P-valov teh potresov pretvori v S-valove, ki nato potujejo poËasneje skozi Zemljino skorjo kakor P-valovi. Zapoznitev faze PS za fazo PP je odvisna od debeline skorje in hitrosti S-valov v njej. NatanËnost doloËitve debeline skorje s to metodo je približno ± 3 kilometre.

Geofizikalna modela profilov Alp01 (zgoraj) in Alp02 (spodaj). Barve oznaËujejo razliËne hitrosti širjenja potresnega valovanja. Meja med rumenimi in rdeËimi odtenki kaže MohoroviËiÊevo diskontinuiteto. Avtor: Andrej

Globina MohoroviËiÊeve diskontinuitete pod Slovenijo

Pred letom 2002 je bil v okviru raziskav na obmoËju nekdanje Jugoslavije preko Slovenije izmerjen le en globok seizmiËni profil med Puljem in Mariborom. Izdelana je bila tudi karta globin MohoroviËiÊeve diskontinuitete Jugoslavije, ki je bila zaradi redko razporejenih profilov in eksplozij precej nenatanËna. Tudi za obmoËje vzhodnih Alp so bile na voljo le zelo približne karte debeline Zemljine skorje, izdelane na podlagi redkih raziskav v letih od 1970 do 1985. Zato je leta 2002 mednarodna skupina raziskovalcev iz devetih držav, zbrana v projektu Alp2002 pod vodstvom dunajske univerze, izvedla obsežne seizmiËne raziskave na širšem obmoËju vzhodnih Alp, tudi na celotnem ozemlju Slovenije. Pri modeliranju dveh glavnih profilov projekta Alp2002 smo loËili veË plasti razliËnih SZ JV seizmiËnih hitrosti. Vrhnja plast s hitrostjo potresnega P-valovanja od 3,0 do 3,3 kilometre na sekundo ustreza terciarnim in Modeliranje s sledenjem seizmiËnih kvartarnim sedimentnim kamninam, ki le ponekod dosežejo žarkov na profilu Alp01. NajveËja debelina Zemljine skorje (47 kilometrov) je pod severozahodno Slovenijo. Pod Istro debelino veË kilometrov. Pod njo je plast, debela od 12 do 20 kilometrov. Sestavljajo jo karbonati ter kisle magmatske je viden skok MohoroviËiÊeve diskonti- in metamorfne kamnine. V njih je hitrost potresnega valovanuitete iz globine 40 kilometrov na 28 nja 5,6 do 6,3 kilometrov na sekundo. Spodnji del Zemljine kilometrov. skorje, ki se zaËne v globini od 15 do 20 kilometrov, ustreza Avtor: Andrej Gosar. baziËnim magmatskim in metamorfnim kamninam in ima seizmiËno hitrost od 6,2 do 6,8 kilometrov na sekundo. V vrhnjem delu Zemljinega plašËa, tik pod MohoroviËiÊevo diskontinuiteto, pa je hitrost od 7,9 do 8,2 kilometrov na sekundo. Najzanimivejše na obeh profilih so spremembe debeli-

ne Zemljine skorje oziroma globine do MohoroviËiÊeve diskontinuitete. Na podlagi prejšnjih raziskav so domnevali, da je pod Slovenijo najveËja debelina Zemljine skorje na obmoËju Julijskih Alp in Notranjske, in sicer do 43 kilometrov. Od tam naj bi se skorja enakomerno tanjšala proti severovzhodu, kjer bi bila na meji z Madžarsko debela le še 28 kilometrov, in proti Jadranskemu morju, kjer bi bila v Tržaškem zalivu debela približno 35 kilometrov. Tokratne precej podrobnejše raziskave so pokazale, da so prav na širšem obmoËju Slovenije prehodi med debelejšo skorjo, znaËilno za Alpe in Dinaride, ter tanjšo skorjo, znaËilno za Panonski bazen in Jadransko morje, zelo strmi, celo skokoviti. NajveËja debelina Zemljine skorje (47 kilometrov) je ugotovljena pod severozahodno Slovenijo. Pod Istro je viden skok MohoroviËiÊeve diskontinuitete iz globine 40 kilometrov na 28 kilometrov. SZ JV Pod vzhodno Slovenijo je viden klinasto oblikovani skok MohoroviËiÊeve diskontinuiModeliranje s sledenjem seizmiËnih tete iz globine 38 kilometrov na 27 kilometrov. Ker so skoko-žarkov na profilu Alp02. Pod vzhodno Slovenijo je viden klinasto oblikovani skok MohoroviËiÊeve diskontinuitete iz vite spremembe globine MohoroviËiÊeve diskontinuitete dokaj presenetljive in znaËilne predvsem za robove litosferskih globine 38 kilometrov na 27 kilometrov. plošË, bodo ti podatki spremenili razumevanje odnosov med Avtor: Andrej Gosar. velikimi tektonskimi enotami, ki se stikajo na tem obmoËju.

Sklep

MohoroviËiÊevo odkritje hitrostne diskontinuitete med Zemljino skorjo in plašËem je bilo zelo pomembno za nadaljnji razvoj seizmologije in geofizike. Pravi pomen tega odkritja se je pokazal šele mnogo pozneje, ko so v šestdesetih letih dvajsetega stoletja oblikovali teorijo tektonike plošË. Takrat

Literatura: AljinoviÊ, B., PrelogoviÊ, E., Skoko, D., 1987: Novi podaci o dubinskoj geološkoj grai i seizmotektonski aktivnim zonama u Jugoslaviji. Geološki vjesnik, 40: 255∑263. Brückl, E., Bleibinhaus, F., Gosar, A., Grad, M., Guterch, A., Hrubcova, P., Keller, G. R., Majdański, M., ©umanovac, F., Tiira, T., Yliniemi, J., Hegedüs, E., Thybo, H., 2007: Crustal structure due to collisional and escape tectonics in the Eastern Alps region based on profiles Alp01 and Alp02 from the ALP 2002 seismic experiment. Journal of Geophysical Research, 112, B06308: 1∑25. Gosar, A., 2003: Raziskave litosfere jugovzhodnih Alp s 3D refrakcijsko seizmiko (projekt Alp 2002) ∑ meritve v Sloveniji. Geologija, 46 (1): 101∑111. Grad, M., Tiira, T., ESC Working Group, 2009: The Moho depth map of the European plate. Geophysical Journal International, 176: 279∑292. Herak, D., Herak, M., 2007: Andrija MohoroviËiÊ (1857-1936) ∑ On the occasion of the 150th anniversary of his birth. Seismological Research Letters, 78 (6): 671-674. MohoroviËiÊ, A., 1910: Potres od 8. X 1909. Godišnje izvješÊe ZagrebaËkog meteorološkog opservatorija za godinu 1909, 9 (4): 1∑56. MohoroviËiÊ, A., 1992: Earthquake of 8 october 1909 (translation). Geofizika, 9: 3∑55. Skoko, D., MokroviÊ, J., 1982: Andrija MohoroviËiÊ. Zagreb: ©kolska knjiga. 147 str. Hrvaška pošta je leta 2007 ob 150. obletnici rojstva Andrije MohoroviËiÊa izdala priložnostno znamko.

so tudi spoznali, da je razumevanje globalnih tektonskih procesov kljuË za razumevanje geološke zgradbe strukturno zapletenih sistemov, kakršni so Alpe, Andi ali Himalaja. V iskanju energetskih virov in mineralnih surovin je Ëlovek posegal tudi vedno globlje v Zemljino skorjo. Hkrati je razvoj aktivnih geofizikalnih metod omogoËil, da so se po celem svetu zaËele intenzivne raziskave globokih delov skorje in strukture MohoroviËiÊeve diskontinuitete, ki trajajo še danes.

SlovarËek:

Longitudinalno potresno valovanje (tudi P -valovanje). Najhitrejše potresno valovanje, pri katerem delci kamnine nihajo v smeri širjenja valovanja. Transverzalno potresno valovanje (tudi S-valovanje). Potresno valovanje, pri katerem delci kamnine nihajo pravokotno na smer širjenja. Je poËasnejše od longitudinalnega valovanja. Površinsko potresno valovanje. Valovanje se širi vzdolž površine Zemlje, pri Rayleighjevem valovanju nihajo delci kamnine eliptiËno v navpiËni ravnini, pri Lovejevem valovanju pa v vodoravni ravnini. Je poËasnejše od transverzalnega valovanja, ima pa veËjo amplitudo. MohoroviËiÊeva diskontinuiteta. Meja med Zemljino skorjo in plašËem, na kateri se hitrost potresnega valovanja skokovito poveËa. Litosfera. Približno sto kilometrov debela toga lupina Zemlje, ki je sestavljena iz vrhnjega dela plašËa in Zemljine skorje. Toge litosferske plošËe se premikajo na viskozni astenosferi, kar imenujemo tektonika plošË. Globoko seizmiËno sondiranje. Raziskave Zemljine skorje z moËnimi eksplozijami. Potresni valovi, ki pri tem nastanejo, se na MohoroviËiÊevi diskontinuiteti deloma odbijejo, deloma pa lomijo in potujejo vzdolž diskontinuitete skozi Zemljin plašË. Magnituda potresa. Brezdimenzijska številska mera velikosti potresa. Je približna mera sprošËene potresne energije. IzraËuna se iz podatkov instrumentalnih zapisov potresa, predvsem iz najveËje amplitude razliËnih vrst potresnega valovanja in oddaljenosti od žarišËa. Intenziteta potresa. CeloštevilËna veËinoma opisna stopnja uËinkov potresa na Zemljinem površju. Oceni se iz uËinkov potresa na ljudi, predmete, stavbe in naravno okolje. V Evropi se najveË uporablja dvanajststopenjska evropska potresna lestvica.