ELLEN P. METZGER
INLEDNING
Syfte: Eleverna ska göra en pappersmodell som illustrerar begreppet spridning av havsbotten och utvecklingen av symmetriska magnetiska ”ränder” på vardera sidan av ett centrum för spridning mitt i havet.
Föreslagna elevgrupper: Eleverna arbetar individuellt.
Integrering av ramuppgifter: Teman: Förändringsmönster: Med tiden skapas ny havsbotten genom att magma sväller upp vid mittoceaniska spridningscentra; gammal havsbotten förstörs genom subduktion vid djupa havsgravar. Vetenskapliga färdigheter och processer: Slutsatser från en modell. Integrering med andra discipliner: Fysik: dipolmagneter och magnetfält, konvektion. Oceanografi: havsbottnens topografi. Livsvetenskap: djur som finns vid varmvattensventiler på havsbotten.
Relaterade aktiviteter: Undervattensberg.
Bakgrundsinformation
För att utföra den här aktiviteten bör eleverna vara bekanta med:
1) typer av gränser mellan litosfärplattor,
2) egenskaper hos havsbotten,
3) begreppet spridning av havsbotten och
4) karaktären hos jordens magnetfält och det faktum att det har bytt polaritet många gånger i det förflutna.
Jordets skikt Jorden är en skiktad planet som består av skorpa, mantel och kärna (fig. 1). De yttre cirka 100 km är ett styvt lager som kallas litosfären, som består av jordskorpan och den översta manteln. Litiosfären är uppdelad i ett antal stora och små plattor som rör sig över asthenosfären, ett plastiskt lager i den övre manteln. Jordbävningar och vulkaner är koncentrerade till gränserna mellan litosfäriska plattor. Man tror att plattornas rörelser orsakas av konvektionsströmmar i manteln (fig. 2), även om den exakta mekanismen inte är känd. Litosfärplattorna rör sig med en hastighet av några cm per år.
Typer av plattgränser Det finns tre typer av gränser mellan litosfärplattor (fig. 3):
1) Konvergerande gräns Plattor konvergerar, eller kommer samman. Om en platta med oceanisk litosfär kolliderar med tjockare och mindre tät kontinental litosfär kommer den tätare oceaniska plattan att dyka ner under kontinenten i en subduktionszon (fig. 2).
2) divergerande gräns Två plattor divergerar, eller rör sig isär och ny skorpa eller litosfär bildas.
3) transformbrottsgräns plattor glider förbi varandra utan att litosfären bildas eller förstörs. 
Tillbaka till början
Oceanbotten En karta över havsbotten visar en mängd olika topografiska drag: platta slätter, långa bergskedjor och djupa diken. Midoceaniska ryggar är en del av en bergskedja som är cirka 84 000 km lång. Den mellanatlantiska ryggen är den längsta bergskedjan på jorden. Dessa åsar är spridningscentra eller divergerande plattgränser där uppvandrande magma från manteln skapar ny havsbotten.
Djuphavsgravar är långa, smala bassänger som sträcker sig 8-11 km under havsytan. Träsk uppstår i anslutning till subduktionszoner, där oceanisk litosfär glider tillbaka in i manteln (fig. 2).
Kontinentaldrift Idén om att kontinenter flyttar sig är gammal; Alfred Wegener, en tysk meteorolog, föreslog hypotesen om kontinentaldrift i början av 1900-talet. Wegener använde sig av flera bevis för att stödja sin idé om att kontinenterna en gång var sammanfogade i en superkontinent som kallades Pangaea och sedan dess har rört sig bort från varandra: (1) kontinenternas likartade form, som om de en gång passade ihop som bitarna i ett pussel, (2) förekomsten av fossiler som Glossopteris, en fossil ormbunke vars sporer inte kunde korsa vidsträckta hav, på de numera vitt skilda kontinenterna Afrika, Australien och Indien, (3) förekomsten av glaciala avlagringar på kontinenter som numera återfinns nära ekvatorn, och (4) likheterna i bergartssekvenserna på olika kontinenter. Tillbaka till början
Wegeners hypotes om kontinentaldrift var inte allmänt accepterad eftersom han inte hade någon mekanism för att förklara hur kontinenterna rör sig. Idén återupplivades inte förrän ny teknik gjorde det möjligt att utforska havsbotten.
Sjöbottenspridning I början av 1960-talet föreslog Princeton-geologen Harry Hess hypotesen om havsbottenspridning, där basaltisk magma från manteln stiger upp för att skapa ny havsbotten vid mellanoceana åsar. På varje sida av åsen rör sig havsbotten från åsen mot djuphavsgravarna, där den subduceras och återförs tillbaka till manteln (fig. 2). Ett test av hypotesen om havsbottenspridning gjordes genom studier av jordens magnetism.
Jordets magnetfält Jordens magnetfält tros uppstå från rörelsen av flytande järn i den yttre kärnan när planeten roterar. Fältet beter sig som om en permanentmagnet befann sig nära jordens centrum, lutande ungefär 11 grader från den geografiska rotationsaxeln (fig. 4). Observera att det magnetiska norr (som mäts med en kompass) skiljer sig från det geografiska norr, som motsvarar planetens rotationsaxel.
Placerar man en stavmagnet under ett papper med järnfilspåner på kommer ett mönster att skapas när filspånerna anpassar sig till det magnetfält som genereras av magneten. Jordens magnetfält liknar det som genereras av en enkel stavmagnet. För närvarande är kraftlinjerna i jordens magnetfält anordnade på det sätt som visas i figur 4. Den nuvarande inriktningen av jordens magnetfält kallas normal polaritet. I början av 1960-talet upptäckte geofysiker att jordens magnetfält periodvis vänds om, dvs. att den norra magnetiska polen blir sydpolen och vice versa. Därför har jorden upplevt perioder med omvänd polaritet som har växlat med perioder (som nu) med normal polaritet. Även om magnetfältet vänder vid dessa tillfällen rör sig inte den fysiska jorden eller ändrar sin rotationsriktning.
Basaltisk lava innehåller järnhaltiga mineraler, t.ex. magnetit, som fungerar som kompasser. Det vill säga, när dessa järnrika mineraler svalnar under sin Curiepunkt blir de magnetiserade i riktning mot det omgivande magnetfältet. Studier av forntida magnetism (paleomagnetism) som registrerats i stenar av olika åldrar ger ett register över när jordens magnetfält bytte polaritet. Tillbaka till början
Under andra världskriget utvecklades känsliga instrument, så kallade magnetometrar, för att hjälpa till att upptäcka ubåtar med stålskrov. När forskare använde magnetometrar för att studera havsbotten upptäckte de ett överraskande mönster. Mätningar av magnetiska variationer visade att i många områden var omväxlande band av stenar med normal och omvänd polaritet anordnade symmetriskt kring mittoceaniska ryggar (fig. 5).
1963 resonerade F. Vine och D.H. Matthews att när basaltisk magma stiger upp för att bilda en ny havsbotten vid ett centrum för mittoceanisk spridning, så registrerar den polariteten hos det magnetfält som fanns vid den tidpunkt då magman kristalliserades. När spridningen drar isär den nya oceaniska skorpan bör ränder av ungefär samma storlek föras bort från åsen på vardera sidan (fig. 5). Basaltisk magma som bildas vid mellanoceana åsar fungerar som ett slags ”bandspelare” som registrerar jordens magnetfält när det vänds om genom tiderna. Om den här idén stämmer bör alternerande stråk av normal och omvänd polaritet vara anordnade symmetriskt kring mellanoceana spridningscentra. Upptäckten av sådana magnetiska ränder gav ett kraftfullt bevis för att spridning av havsbotten sker.
Merbottens ålder stöder också spridning av havsbotten. Om havsbottenspridning fungerar bör den yngsta oceaniska skorpan finnas vid åsarna och successivt äldre skorpan bör finnas när man rör sig bort från åsarna mot kontinenterna. Detta är fallet. Den äldsta kända havsbotten är daterad till cirka 200 miljoner år, vilket tyder på att äldre havsbotten har förstörts genom subduktion vid djuphavsgravar.
Det krävdes utforskning av havsbotten för att upptäcka havsbottenspridning, den mekanism för kontinenternas rörelse som Alfred Wegener saknade. Hypotesen om kontinentaldrift fick förnyat intresse och när den kombinerades med havsbottenspridning ledde den till teorin om plattektonik. Tänkandets historia om kontinenternas rörelse är ett fantastiskt exempel på hur hypoteser som kontinentaldrift och havsbottenspridning testas grundligt innan en ny teori växer fram. För en översikt över plattektonikens historia, se Tarbuck och Lutgens (1994). Tillbaka till början
MATERIAL (Källor anges nedan)
Kartor över havsbotten
Karta över den dynamiska planeten
Karta över den dynamiska planeten
För varje elev:
2 ark 8,5 x 11″ pärmpapper (kartong kan användas i stället för papper för att göra en stabilare modell)
sax
linjal
genomskinlig tejp
tejp
tejp
färgpennor eller kritor Förslag: Gör din egen modell i förväg för att visa eleverna innan de gör sina modeller.
MATERIALKUNSKAP
Kartor över bottnarna i Arktis, Atlanten, Stilla havet och Indiska oceanen kan fås från National Geographic Society, Educational Services, P.O. Box 98019, Washington, D.C., 20090-8019, telefon 1-800-368-2728. Varje karta kostar $10.90.
Från Fisher-EMD: (1) Fosforescerande karta över havsbotten: mått 24″ X 24″. (10,60 dollar); (2) karta i väggstorlek över Mid-Atlantiska ryggen (27,40 dollar). Beställ från Fisher Scientific-EMD, 4901 W. Lemoyne Street, Chicago, IL 60651, telefon 1-800-955-1177.
”This Dynamic Planet: World Map of Volcanoes, Earthquakes, and Plate Tectonics” mäter 150 x 100 cm och har utvecklats av United States Geological Survey och Smithsonian Institution. Beställ från USGS Map and Book Distribution, P.O. Box 25286, Federal Center, Bldg. 810, Denver, CO 80225, telefon 303-236-7477. Priset är $3.00. Tillbaka till början
FÖRFARANDEN
Följ stegen på elevaktivitetsbladen. Eleverna kan mäta placeringen av subduktionszoner och den mellanoceana ryggen för sin modell enligt figur 1 i elevaktivitetsbladen, eller så kan du ge dem den färdiga mallen som tillhandahålls. Du kanske vill kopiera mallen på en mapp eller liknande kartong för att få en stabilare modell.
Modifieringar: För yngre barn, utelämna förklaringen om magnetremsor och omvänd polaritet. Använd modellen för att visa dem hur ny havsbotten skapas vid spridningscentra och hur gammal havsbotten försvinner vid subduktionszoner. Du kanske vill klippa ut pappersmodellbitar för eleverna i förväg, eller använda en modell som du har gjort som en demonstration för klassen.
Utvidgningar: Hydrotermiska ventilationssystem, så kallade svart- och vitrökare, som finns vid oceaniska spridningscentra är en av de mest spännande upptäckterna som gjorts under de senaste femton årens havsforskning. Dessa rökare är platser för mineralfyndigheter och unika ekosystem som existerar i totalt mörker. Integrera en enhet om spridning av havsbotten och havsbottnens topografi med biologi genom att låta eleverna forska om de unika varelser som förknippas med hydrotermiska skorstenssamhällen. Några förslag på referenser finns nedan.
REFERENSER OCH RESURSER
NSTA/FEMA, 1988, Tremor Troop Earthquakes: National Science Teachers’ Association, Washington, D.C.
Tarbuck, E. J. and Lutgens, F. K., 1994, Earth Science (7th ed.), Macmillan Publishing Company, s. 207-242.
Allmän information:
Yulsman, T., 1993, Charting Earth’s Final Frontier: Earth, vol. 2, no. 4 (juli 1993), s. 36-41. Diskuterar kartläggning av vulkaner, förkastningar, kanjoner och lavaflöden på havsbotten med hjälp av en side-scan sonarutrustning som kallas GLORIA (Geologic Long-Range Inclined Asdic).
The General Interest Publication ”Marine Geology: Research Beneath the Sea” från United States Geological Survey ger en översikt över de metoder och den utrustning som maringeologer använder för att studera havsbotten. Broschyren beskriver studier av havsbottnens topografi, sediment och mineraltillgångar. Beställ upp till 50 gratis exemplar (använd skolans brevpapper) frånUnited States Geological Survey, Box 25286, Denver Federal Center, Bldg. 810, Denver CO 80225; telefon (303)236-7476.
För yngre barn:
Cole, J., 1992, The Magic School Bus on the Ocean Floor: Scholastic, Inc., New York. Barnen i Mrs Frizzles klass gör en utflykt till den djupa havsbotten för att studera djur- och växtliv, en varmvattensventil och ett korallrev (för lågstadiebarn).
Om djuphavets hydrotermala system:
Ballard, R. D. och Grassle, J. F., 1979, Incredible World of the Deep-sea Rifts: National Geographic, v. 156, No. 5 (Nov. 1979), s. 680-705.
Lutz, R. A. and Hessler, R. R., 1983, Life Without Sunlight – Biological Communities of Deep-Sea Hydrothermal Vents: The Science Teacher, v. 50, No. 3 (mars 1983), s. 22-29.
Tunnicliffe, V., 1992, Hydrothermal-Vent Communities of the Deep Sea: American Scientist, v. 80 (juli-augusti 1992), s. 336-349. Tillbaka till början
Video:
”Treasures of Neptune: Klondike on the Ocean Floor” (149,00 dollar; 26 min). Tittar på förhållandet mellan plattentektonik och marina mineralfyndigheter; visar hur havsbotten kartläggs och tittar på utvinningssystem för marina resurser, inklusive undervattensskopor och -spadar och gigantiska ”dammsugare”. Beställ från Films for the Humanities & Sciences, P.O. Box 2053; Princeton, N. J. 08543-2053; telefon 1-800-257-5126. ”Jordens sista gräns” ($79.00; 26 min.). visar hur forskare utforskar havsbotten med hjälp av Side Scan Sonar kartläggning och djuphavsborrning. Beställ från: Brittanica Learning Materials, Customer Service, 310 South Michigan Avenue, Chicago, IL 60604-9839; telefon 1-800-554-9862.
”Physical Oceanography” (59,95 dollar; 19 min.). Beskriver metoder för att utforska haven, oceanernas samverkan med biosfären, litosfären och atmosfären för att skapa en unik miljö samt de tre viktigaste egenskaperna hos haven: deras kemi, topografi och vattnets rörelser. Beställ från Scott Resources, P.O. Box 2121K, Ft. Collins, CO, 80522; telefon 1-800-289-9299.
Diabilder:
”Undersea Exploration” ($16.00 för 22 diabilder). Denna uppsättning illustrerar ubåtsforskning med hjälp av djuphavsbåtar och fjärrstyrda farkoster för att studera spricksystem på havsbotten. Innehåller foton av svartrökare, rörmaskar och utrustning som används av oceanografer. Beställ från American Geophysical Union, Attn: Orders, 2000 Florida Avenue, N.W., Washington, D.C. 20009, telefon 1-800-966-2481.
Några relaterade aktiviteter:
Modulen Crustal Evolution Education (CEEP), ”How Fast Is the Ocean Floor Moving?”har utvecklats av National Association of Geology Teachers. I den här modulen undersöker eleverna data från sediment på havsbotten, fastställer om data stöder teorin om spridning av havsbotten och beräknar spridningshastigheten för East Pacific Rise. Andra CEEP-moduler med anknytning till havsbotten är bl.a. följande: ”Lithosfäriska plattor och topografi av havsbassänger”, ”Mikrofossiler, sediment och spridning av havsbotten”, ”Rörelser i Stillahavets havsbotten”, ”Ett havsbottenmysterium: Kartläggning av polaritetsomvändningar” och ”Kartläggning av havsbottnens form”. Var och en av dessa moduler finns som ett klasspaket som innehåller en lärarhandledning och 30 undersökningshäften för eleverna och kostar 23,50 dollar. Beställning från Ward’s Natural Science Establishment, Inc. 5100 West Henrietta Road, P.O. Box 92912, Rochester, New York 14692-9012, telefon 1-800-962-2260.
GLOSSARY
asthenosfären en del av manteln som ligger under litosfären. Denna zon består av lätt deformerad sten och når i vissa regioner ett djup på 700 km.
kontinentaldrift Den första hypotesen som föreslår stora horisontella rörelser av kontinenter. Denna idé har ersatts av teorin om plattektonik.
konvergent plattgräns en gräns mellan två litosfäriska plattor som rör sig mot varandra. Sådana gränser markeras av subduktion, jordbävningar, vulkaner och bergsbildning.
Curiepunkt Temperaturen (ca 580 grader C) över vilken en sten förlorar sin magnetism.
Djuphavsgravar Långa, smala och mycket djupa (upp till 11 km) bassänger som är orienterade parallellt med kontinenterna och som är förknippade med subduktion av oceanisk litosfär.
divergent plattgräns en gräns mellan två plattor som rör sig bort från varandra; ny litosfär skapas mellan de spridande plattorna.
litosfär det styva, yttersta skiktet på jorden; innefattar jordskorpan och den översta manteln och är cirka 100 km tjock.
mittoceanisk rygg en kontinuerlig bergskedja på botten av alla större havsbassänger som markerar platsen där ny havsbotten skapas när två litosfäriska plattor rör sig bort från varandra.
normal polaritet ett magnetfält som har samma riktning som jordens nuvarande.
paleomagnetism den permanenta magnetisering som registrerats i bergarter och som gör det möjligt att rekonstruera jordens forntida magnetfält.
Pangaea eller Pangea den föreslagna ”superkontinent” som började brytas isär för 200 miljoner år sedan för att bilda de nuvarande kontinenterna.
plattentektonik teorin som föreslår att jordens litosfär bryts upp i plattor som rör sig över ett plastskikt i manteln. Plattornas växelverkan ger upphov till jordbävningar, vulkaner och berg.
omvänd polaritet ett magnetfält med motsatt riktning jämfört med jordens nuvarande fält.
omvänd plattgräns en gräns mellan litosfärplattor som glider förbi varandra.
sjöbottenspridning en hypotes, som föreslogs i början av 1960-talet, om att ny havsbotten skapas där två plattor rör sig bort från varandra vid mellanoceana åsar.
subduktionszon en lång, smal zon där en litosfärisk platta sjunker ner under en annan. Tillbaka till början
En modell för spridning av havsbotten
INLEDNING: Skapandet av ny havsbotten vid mittoceana spridningscentra och dess förstörelse i subduktionszoner är en av de många cykler som gör att jorden genomgår ständiga förändringar.
SYfte: Syftet med denna aktivitet är att göra en enkel modell som visar hur havsskorpan utvecklas genom spridning av havsbotten och subduktion.
MATERIAL:
2 ark 8,5″ x 11″ papper (kartong kan ersätta ett av arkena)
linjal
färgpennor eller kritor
sax
genomskinlig tejp
maskeringstejp
Förfaranden: Om din lärare ger dig en färdig mall för den här aktiviteten hoppar du över steg 1-4.
1) Placera ett ark pärmpapper så att långsidan är mot dig (fig. 1).
2) Dra en vertikal linje i mitten av pappret med en höjd på 11,5 cm och låt 5 cm stå kvar på vardera sidan av linjen. Denna linje representerar ett centrum för mittoceanisk spridning (se figur 1).
3) Rita en andra vertikal linje till höger om centrumlinjen så att den ligger 3 cm från papperets högra kant. Denna linje representerar en subduktionszon.
4) Rita en tredje vertikal linje till vänster om mittlinjen så att den ligger 3 cm från papprets vänstra kant. Denna linje representerar ytterligare en subduktionszon. När du är klar ska ditt papper se ut som diagrammet i figur 1.
Märk den mellanoceana ryggen och subduktionszonerna.
5) Med en sax klipper du av de vertikala linjerna så att det blir tre slitsar på pappret som alla är lika höga och parallella med varandra. För att förstärka de slitsar som du har gjort lägger du maskeringstejp över varje slits och skär om slitsen genom tejpen.
6) På det andra pappersarket ritar du 11 band, vart och ett 2,54 cm brett, vinkelrätt mot papperets långsida.
7) Välj en färg för att representera normal polaritet och en annan för att representera omvänd polaritet. Färga alternerande band för att representera perioder av normal och omvänd polaritet. Färga bandet längst till vänster som omvänd polaritet.
8) Klipp pappret på mitten parallellt med den långa kanten för att få två pappersremsor som visas i figur 2. Markera banden på varje remsa med pilar för att ange omväxlande perioder av normal (uppåtriktad pil) och omvänd (nedåtriktad pil) polaritet. Tillbaka till början
9) För in den ena änden av varje pappersremsa genom den utbredande mittlinjen på ditt första pappersstycke (se figur 3).
10) Dra varje pappersremsa mot de slitsar som ligger närmast papprets marginaler (subduktionszonerna). Tejpa varje remsa för att göra en slinga som visas i figur 3.
11) Cirkulera pappersbanden (som representerar havsskorpan) för att simulera rörelsen av havsbotten från det mittoceana spridningscentret till subduktionszonen.
Starta rörelsen av banden med band som representerar normal polaritet.
FRÅGOR:
1) Jorden är ungefär 4,6 miljarder år gammal. Baserat på observationer av din modell för spridning av havsbotten, varför tror du att den äldsta havsbotten bara är cirka 200 miljoner år gammal?
2) På den verkliga havsbotten är de omväxlande banden med normal och omvänd polaritet inte alla lika breda. Vad säger detta om de tidslängder som representeras av normal och omvänd polaritet?
