Geofysik

Bergskedjor är en av de viktigaste landformerna på jordens yta och de påverkar jordens invånare och vårt sätt att leva bland annat genom inverkan på klimat och väder. Områden i och längs bergskedjor utgör attraktiva och unika livsmiljöer. Samtidigt är bergskedjor utsatta för naturkatastrofer som jordbävningar, jordskred och översvämningar. Bergskedjor, eller resterna av dem, berättar om hur planeten jorden har utvecklats under en stor del av sin långa historia. Att undersöka deras utbredning över tiden och de processer som ligger bakom deras utveckling är ett tvärvetenskapligt arbete.

Forskningen om bergskedjebildning vid Uppsala universitet handlar om skandinaviska och arktiska bergskedjor som kan vara så gamla som 2 miljarder år. För närvarande har forskningen ett starkt fokus på de ca 400 miljoner år gamla och djupt eroderade Skandinaviska Kaledoniderna. Tillämpade geofysiska metoder som reflektionsseismik (metod som använder seismologins principer för att uppskatta egenskaperna hos jordens underyta), magnetotellurik (undersökning av jordens inre med hjälp av naturliga elektromagnetiska fält) och mätningar av potentialfält gör det möjligt för oss att utforska och modellera underjorden, det senare i nära samarbete med geologisk och petrofysisk forskning om bergarternas karaktär vid ytan.

Flaggskeppsprojektet är det vetenskapliga borrningsprojektet Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides (COSC), som stöds av "International Continental Scientific Drilling Program" (ICDP). I detta projekt utför ett internationellt team forskning om fjällkedjesbildning i två kärnborrhål på cirka 2,5 km djup (borrade 2014 respektive 2020), som kopplar ihop forskning på ytan med underjorden. Tillsammans provtar dessa borrhål en nyckelsektion genom en paleozoisk fjällkedja som en gång i tiden har varit stort som nutida Himalaya.

För mer information om COSC:

• International Continental Scientific Drilling Program(ICDP): COSC-1 och COSC-2
• COSC på Facebook

Jordbävningsseismologin vid Uppsala universitet har en lång tradition tillbaka till 1904, då den första seismografen i Norden installerades i Observatorieparken. Under professor Markus Båth på 1950 och 1960-talet expanderade både de seismiska mätningarna och jordbävningsanalysen till världsledande position. Idag driver institutionen för geovetenskaper det svenska nationella seismiska nätet (SNSN) som med 67 mätstationer analyserar jordbävningar både i Sverige och resten av världen. Jordbävningsforskningen vid programmet för geofysik drivs till stor del av observationer och fokuserar på metodutveckling och platsspecifika studier. Vi har utvecklat det datainsamlings- och analyssystem som används vid de seismiska nätverken i Sverige och på Island (SIL-systemet) och som framgångsrikt analyserar mycket små jordskalv. Skalvens lokalisering, fokalmekanismer och det bakomliggande spänningstillståndet analyseras för att förstå varför de inträffar där de gör. Vi undersöker jordskorpans och mantelns strukturer med olika metoder utvecklade inom till exempel jordbävningstomografi och ytvågsundersökningar för att förstå till exempel hur bergskedjor utvecklats och hur vulkaner byggs upp.

I Sverige fokuserar jordskalvsforskningen dels på en förståelse av hur de stora postglaciala jordbävningarna kunde ske vid istidens slut (se bild) och varför dagens småskalv sker där de gör, och dels på undersökningar av jordskorpans och övre mantelns strukturer för att förstå hur en gammal kontinent som den som Svenska har byggts genom årmiljarderna. På Island deltar vi i forskning om vulkaner och hur dessa bäst övervakas, om jordskalv som sker i geotermala system och hur skalv kan orsakas av geotermisk energiutvinning.

Det svenska nationella seismiska nätet (SNSN) analyserar jordbävningar både i Sverige och globalt.

Gå till Svenska nationella seismiska nätet (SNSN).

Geofysikprogrammet vid Uppsala universitet har en lång historia och aktuell forskningsinriktning inom litosfärgeofysik. Litosfären bildar plattorna som "flyter" och rör sig ovanpå den djupare, mer trögflytande manteln, vilken i sig själv drivs av plattektonik. Litosfären är uppbyggd av två huvudsakliga, kemiskt olika lager, som är kemiskt olika, skorpan i toppen och mantellitosfären i botten och uppvisar ett långvarigt arkiv av tidigare geodynamisk historia.

Kemiska, strukturella och termiska förändringar inom litosfären påverkar de fysiska egenskaperna hos bergarter, såsom densitet, magnetiska egenskaper och hastigheten för seismiska vågor som passerar genom mediet. Vi använder olika geofysiska metoder för att upptäcka, modellera och avbilda dessa variationer i fysikaliska egenskaper – den litosfäriska strukturen. Från dessa studier kan vi göra implikationer på jordens sammansättning, termiska tillstånd och tidigare och nuvarande geodynamiska processer [länk till geodynamik]. I Uppsala har vi ett tydligt fokus på seismologiska och elektromagnetiska tekniker [länk till EM], men vi använder även gravitation och magnetiska tekniker som stödjande verktyg.

Vi har för närvarande projekt över hela världen, inklusive studier i Skandinavien, Alperna, Central- och Östeuropa, Arktis, Grönland, Island, Brasilien, Mellanöstern, Kina och andra.

Geofysiska metoder är fundamentala vid övervakningen av vulkaner. Dels för att veta om ett utbrott är nära förestående och dels för att veta vilken karaktär utbrottet kan förväntas få. Detta för att varningar ska kunna utfärdas i tid och för att rimliga åtgärder ska kunna vidtas på olika avstånd från vulkanen. Anledningen att detta är möjligt är att ett vulkanutbrott oftast, men inte alltid, föregås av någon slags ”onormal” aktivitet före ett utbrott. Det kan tex röra sig om att vulkanen ”sväller upp” eftersom mängden magma eller gas ökar i systemet eller en ytnära magmakammare, eller att den seismiska aktiviteten ökar när magma tränger upp under vulkanen. Om noggrannheten i jordskalvslokaliseringarna är tillräckligt hög kan man tex följa magmans rörelser, och därmed veta var i vulkansystemet ett utbrott är troligast. Ett annat viktigt verktyg är att med hjälp av olika geofysiska metoder försöka avbilda vulkanens innandöme. På så sätt kan man bli bättre på att förutsäga tid och omfattning för ett utbrott då ovanliga signaler registreras från vulkanen. Här vid geofysikprogrammet jobbar vi framförallt med seismologiska verktyg, men även elektromagnetiska, för att kunna avbilda vulkanens innandöme. Tolkningen av våra modeller görs i nära samarbete med geologer och vulkanologer, både här och vid andra lärosäten, för att öka vår förståelse av vulkaniska processer och en vulkans aktivitet i ett större sammanhang. Vi arbetar också med och utvecklar system för att registrera och lokalisera jordskalv i nära realtid.

Tillämpad geofysik täcker ett brett spektrum av tillämpningar och metoder relaterade till prospektering, platskarakterisering, hålrumsdetektering, miljöundersöknigar och mycket mer. Prospektering kan vara för olja, mineraler, grundvatten och andra resurser av ekonomiskt värde. Skalan experimenten utförs över kan variera från tiotals kilometer för att bestämma jordskorpans tjocklek till några meter för att hitta ett nedgrävt rör. Alla typer av geofysiska metoder används, inklusive seismiska, magnetiska, gravimetriska, elektriska, elektromagnetiska (EM) och radiometriska.

Exempel på pågående forskning i tillämpad geofysik vid geofysikprogrammet inkluderar förbättrade seismiska bearbetningsmetoder för kristallint berg, karakterisering och övervakning av koldioxidlagringsplatser, utveckling av EM-instrumentering och tolkningsmetoder, borrhålsloggning för bergegenskaper, samt utveckling av nya seismiska finsamlingsmetoder. Detta arbete är ofta direkt tillämpbart i samhället, men det finns också många komponenter av grundforskning inom verksamheten. Ett exempel är att använda geofysik för att bättre förstå den Skandinaviska fjällkedjans geologiska historia genom att "titta" in i dess struktur ner till djupet av tiotals kilometer.

Det geomagnetiska fältet har existerat under stora delar av jordens förgångna. Dess närvaro möjliggör livets utveckling på vår planet, avleder skadliga solenergipartiklar, kosmisk strålning och förhindrar erosion av atmosfären. Människor har använt magnetfältet för navigation i mer än två tusen år. Vissa djur och bakterier använder också magnetfältet för navigeringsändamål, en egenskap som har ett evolutionärt ursprung. Till stor del så är fältet likt en dipol, liknande en vanlig stavmagnet. Ursprunget är dock mer komplext än en permanentmagnet, och magnetfältet härrör från flödet av metallisk vätska i jordens yttre kärna, vilket ger upphov till den så kallade geodynamon. De magnetiska egenskaperna hos sediment och bergarter ger kvantitativ information om inklination, deklinationen och intensiteten av det tidigare magnetiska fältet. Denna information kan användas för att studera tidigare rörelser av tektoniska plattor, ett fält som är en del av paleogeografi. Dessa mätningar ger också möjlighet att studera magnetfältets utveckling.

Geofysikprogrammet leder tillsammans med programmet för naturresurser och hållbar utveckling (NRHU) Uppsalas paleomagnetiska laboratorium, som är värd för instrument för att utföra mätningar av magnetisk susceptibilitet och remanens. Forskningen inom programmet och laboratoriet fokuserar på paleomagnetism och plattektonisk rekonstruktion, utvecklingen av det tidigare geomagnetiska fältet i tid och rum och de grundläggande magnetiska egenskaperna hos mineraler, sediment och bergarter. Studier sträcker sig från proterozoiska bergarter i kontinentala interiörer, till sediment i Östersjön, till lössavlagringar (vindburna sediment) i Centralasien. Grundläggande magnetiska egenskaper hos järnoxider och järnsulfider, såväl som mineral som innehåller sällsynta jordartsmetaller, utgör ett fokus för geofysik- och NRHU-programmen. Forskningen bygger på ett starkt tvärvetenskapligt samarbete, både nationellt och internationellt, mellan geovetenskap, kemi, fysik och materialvetenskap.