Endogenic)Processes)

Karen)J.)Meech,)Astronomer)

Institute)for)Astronomy)

)

•  Exogenic)–)Processes)arising)from)outside)–  Impact)cratering)–  Micrometeorites)

•  Regolith)•  Gardening)

–  Solar)wind)&)cosmic)rays)•  Chemical)processing)

•  Endogenic)–)Processes)arising)from)inside)–  Tectonic)–)crustal)deformation)–  Volcanism)–  Aeolian)–)wind)driven)(atmospheric))

Processes)Arising)From)

Why)are)Endogenic)Processes)Important?)

•  Why)does)it)matter)what)internal)processes)are)occurring)within)a)planet?)–  Affects)atmosphere,))and)habitability)–  Affects)chemistry)and)availability)of)energy)sources)for)life)

Volcanism)

•  Expression)of)Planetary)cooling)

•  Heat)sources)–  Gravitational)release)of)Energy:)

accretion)from)collapse)

–  Differentiation)Energy)release)–  Radioactive)decay)

•  Information)gained)–  Interior)composition)/)structure)

–  Atmospheric)formation)

Causes)of)Volcanism)

•  Material)melts)inside)Earth)at)high)T)–  Most)materials)expand)upon)melting)–  Magma)rises)through)cracks)in)crust)

•  Eruption)type)depends)on:)–  Chemistry)–)viscosity),)gas)content)–  Geometry)–  Planetary)mass)–  Planetary)atmosphere)

Types)of)Volcanism)

•  Mid)Ocean)Ridges)(MOR))&)Rifts)

–  Discharge)from)spreading)centers)

–  Hydrothermal)vents)

–  Interesting)chemistry)

•  Rift)systems:)Iceland,)Africa)

–  Flood)basalts)

–  Hot)spot)volcanos)–  Material)coming)from)deep)mantle)

–  Island)arc)volcanos)–  Melting)at)subduction)zones)

Cone volcano

Mid Oceanic ridge

Volcanic Landforms

Flood Basalt Sinuous Rille Shield volcano Volcanic Rift

Tectonics)–)Theory)of)Crustal)Deformation)

•  Alfred)Wegener)(1915))–)Continental)Drift)–  Plates)–)(crust)&)upper)mantle))move))

–  Sit)on)top)of)hotter)layers)–  What)is)the)mechanism?)

•  Evidence)–  Continental)outlines)–  Similarity)of)plant)&)animals)

A)Theory)not)Accepted)

“In#1928,#at#a#meeting#in#Atlantic#City,#American#geologists,#

almost#to#a#man,#read#[Wegener]#out#of#the#company#of#

acceptable#thinkers……##

#

“Having#just#learned#to#live#with#the#abyss#of#time#[the#

geologists]#were#not#yet#prepared#to#deal#with#the#uncertainty#

of#drifting#continents#

Earth’s)Interior)Structure)•  Interior)Information)

–  Basics)in)1910)–)seismic)studies)

–  Density)changes)

•  3)Basic)Regions)–  Crust)(surface))

•  Oceanic)&)Continental)

–  Mantle)•  100)km)depth)rheology)change:))boundary)between)

lithosphere)&)aesthenosphere)

–  Core)•  Outer:))liquid),)Inner:)))Ni^Fe)

To scale

Core Outer core

Mantle

Crust

Lithosphere: crust & upper mantle

Mantle

Crust: Ocean 6 km Continent: 20-70 km

2900 km

Not to scale

5178 km

6378 km

Rheology – flow and deformation of matter

Plate)Boundaries)

•  Mid)Ocean)ridges)–)MOR))(constructive))–  Magma)from)astheosphere)forms)new)land)–  Mid)ocean)spreading)centers)–)ridge)crests)forced)apart)

by)magma)

•  Subduction)zones)(destructive))–  Collision)of)plates)–)one)slides)beneath)the)other)causing)

melting)–  Volcanic)Activity)&)Earthquakes)

•  Transform)faults)(conservative))–  Plates)in)tension)sliding)past)each)other)–  Release)of)tension:))Earthquakes)

Energy)for)Tectonics)

•  Convection)–  If)ρo)<)ρ1)!)rises)–  Density)decreases)as)rises)–  T)cools)as)it)rises)–  If)To)>)T2,)ρo)<)ρ2)!)rise)continues)

–  Convection)Requires)steep)T)gradients)

T1 > T2

T2

ρ2

ρ1 > ρ2

ρ0 T0

Deeper, hotter

Surface

ρ)=)Density)T)=)Temperature

Energy)for)Tectonics)

•  Convection)–  If)ρo)<)ρ1)!)rises)–  Density)decreases)as)rises)–  T)cools)as)it)rises)–  If)To)>)T2,)ρo)<)ρ2)!)rise)continues)

–  Convection)Requires)steep)T)gradients)

T1 > T2

T2

ρ2

ρ1 > ρ2

ρ0 T0

Deeper, hotter

Surface

ρ)=)Density)T)=)Temperature

Two)Different)Convergences)

•  Ocean)–)Continent))

–  Results)in)volcanism)

•  Continent)–)Continent))–  Build)up)of)mountain)ranges)

Transform)Faults)

•  Slippages)cm/yr)

•  Motion)release)not)smooth)

•  Few)106)yr)–)LA)will)be)an)

island)near)SFO)

•  Plate)boundaries)

•  Volcanos)(black))&)earthquakes)colored)by)depth)

•  Subduction)/)Island)arcs)–  Associated)with)subduction)– Material)melts)– Most)explosive)!)natural)disasters)

How)long)does)Hawai’i)Have?)

•  Pacific)covers)1/3)of)earth)

–  120o)latitude)

–  1/3)x)2)x)π)x)6378)=)13,358)km)

–  Drift)rate:)10)cm)/)yr)=)10^4)km/yr)

–  Time)=)13,358)km)/)10^4)=)130)Myr)

Mid Atlantic Ridge

Proof)of)Sea)Floor)Spreading)

•  Earth’s)Magnetic)(B))field)–  Dipolar)–  Originates)in)outer)core)from)plasma)motions)–  A)moving)electric)field)generates)a)magnetic)field)–  Extends)60,000)km)

))

•  Fluctuations)–  Polarity)reversal)(duration)<)104)yr))–  Occur)~)0.1^0.7)Myr)apart)

Curie)Temperatures)

•  Ferromagnetic)rocks)–  Can)preserve)a)magnetic)field)

–  At)high)T:))thermal)E)of)electrons)resists)alignment)by)B)field)

–  Cooling)through)Curie)T)–)B)field)freezes))

•  MOR)Spreading)–  Earth’s)B)field)frozen)in)–  Discovered)in)1960’s)(Vine)&)Matthews))

Mineral( Formula( TCurie(

Magnetite) Fe3O4) 851)

Hematite) Fe2O3) 948)

Iron)) Fe) 1043)

Nickel) Ni) 510)

Planetary)Core)Comparisons)•  Composition)

–  Most)are)Ni^Fe)

–  Mars)is)Fe^S)

•  How)do)the)different)core)size)/)composition)affect)the)surface?)–  Can)drive)heat)budget)!)tectonic)features,)volcanic)features)

Tectonics)on)Mercury)

•  )“Single)plate”)system)•  Lobate)scarps)

–  Long)cliffs)–)100’s)km)–  Heights)100m^3)km)

•  Origins)–  Core)75%)diameter)–  Planetary)shrinking)as)core)cools)

Venus)Tectonics)

•  Earth’s)Twin?)–  No)plate)tectonics)

–  Atm)T)too)high)for)subduction)•  ΔT)not)large)enough)

•  Features)–  1600)volcanic/tectonic)–  No)long)volcano)chains)

–  No)evidence)subduction)

–  No)rifts)like)MOR)

Lunar)Tectonics)

•  Wrinkle)ridges)–  Caused)by)cooling)

•  Graben)(cracks))–  Tensional)stresses)

Mars)Tectonics)•  Massive)evidence)

–  Mostly)from)uplift)

–  Fe^S)core)expands)upon)cooling)–  No)compressional)features)

–  Valles)Marineris)

–  Tharsis)uplift)

•  History)–  Late)bombardment)3.5)Gy)

–  Tectonic)crust)fracture)–  Volcanic)emplacement)

–  Uplift)in)Tharsis)–)extension)–  Recent)volcanism)

Valles)Marineris)

Valles)Marineris)

Mars)Tectonic)Features)

•  Rifts)and)Graben)–  Extensional)features)–)cracks))

Mars)Tectonics)^)Catena)

•  Graben)on)slopes)of)Alba)

Patera)(volcano))

•  Pit)depressions)in)cracks)

(catena))

Volcanism & Tectonics

Lithospheric Conduction

Plate Tectonics

Hot Spot Volcanism

Earth:'5%#Hotspot#30%#Conduc0on#65%#Plate#tectonics#

Lithospheric Conduction

Plate Tectonics

Hot Spot Volcanism

Moon, Mercury Mars Venus

Io

Three#ways#for#a#planet#to#lose#heat:##conduc0on,#plate#tectonics,#hot#spot#volcanos

•  Explosive)arc)volcano)eruptions)–  Varied)!)responsible)for)largest)disasters)–  Change)in)atmosphere)&)climate)–  Example:)Mt)St.)Helens)

•  Pinatubo)Philippines)6/15/91))–  “small”)eruption)–)affected)atm)dust)for)years)

•  Krakatau)Indonesia)1/1883,)Tambora)1815)–))–  largest)historical)Earth)eruptions)–  Tsunami)kills)36,000)in)Java)–  50)MTons)SO2)into)atm)–  Dust)in)atm)2)yrs)

Super)Volcanos)

•  Extremely)large)volcanic)output)•  Largest)in)last)20)million)years)–)Toba)(Indonesia))

–  Eruption)lasted)two)weeks)–  Created)an)ash)layer)3)m)deep)in)India)–  Created)a)cauldera)(lake))~80)km)long)

Yellowstone)Supervolcano)))

•  Historical)–  One)of)the)world’s)largest)super)volcanos)

–)a)hotspot)–  2)of)the)largest)N)America)eruptions)in)

last)few)million)yrs)–  There)will)be)another)eruption)–)although)

not)likely)in)our)lifetime)

•  Pyroclastic)surges))–  Pressure)supporting)ash)column)drops)–)

avalanche)–  Velocity)>)vsound)–  Mt.)St)Helens)radius)–)17)km,))

Yellowstone)–)80)km)–  Death)toll)likely)~87,000)

Pinutubo pyroclastic surge

Yellowstone)Eruptions)

•  Ash)cloud)–)death)500,000)–  Model)fallout)in)few)days)reaches)

Europe)–  Ash)triggers)rain)!)mud)flows)

(lahars))•  Release)of)F,)S)!)H2SO4)aerosols)

into)upper)atm)–  Remain)for)years)–  Opaque)to)visible)radiation)–  Climate)change)–  Greenland)cores)–)Toba)eruption)–)

2x109)tons)H2SO4)–  Decrease)cooling)by)12oC)for)a)few)

years)(snow)in)summer))–  Tropics)down)by)15oC)!)no)

monsoon)

Yellowstone ash fall 630,000 yr ago

Hot)Spot)Volcanism)•  Spots)are)stationary)– Mantle)plumes)–  Plates)slide)over)the)hot)spot)– Massive)topographic)uplift)!)shield)volcano)

•  Hawaii^Emperor)chain)– Meiji)75^80)Myr)–  Bend)43)Myr)ago)

Hawaiian)Volcanos)

•  Mauna)Loa)–  40,000)km3)

–  Last)erupted)in)1984)–  Magma)chamber)is)4)km)thick,)

extending)to)6)km)deep)–  Magma)fed)from)60)km)below)

•  Mauna)Kea)–  Began)800,000)yr)ago)–  Most)recent)3500)(dormant))

•  Loihi)–  28)km)SW)Kilauea)–  969)m)below)sea)level)–  Surface)in)few)x)104)yr)

Iceland)

•  Located)on)Mid)ocean)ridge)(MOR))•  Surtsey)Island)

–  Eruptions)1963^1967)–  30)km)S)of)iceland)–  Studies)for)biological)colonization)

Thingvellir

A)Visit)to)Surtsey)An)Astrobiologist)on)Surtsey)

Lunar)Volcanic)Landforms)

Volcanism)in)the)Solar)System)

•  Moon)–  4.5)Gy)molten)–  4.3)Gy)only)small)subsurface)lens)of)magma)

–  4.0)Gy)radioactive)heating)in)deep)mantle)!)basin)flooding)

–  2.0)Gy)magma)too)deep)for)eruptions)

•  Mercury)–  Intercrater)plains)!)like)maria))

Volcanism)on)Mercury) Mercury)Extensional)Features)

•  Features)seen)in)floor)of)Caloris)basin)

•  Troughs)radiate)from)materials)filling)in)floor)after)formation)

•  Impact)crater)~40)km)diameter)

Caloris)Basin)–)Mercury)–)1550)km)•  Lg)crater)lower)left)–)230)km)diam,)85)km)crater)inside)•  Filled)with)fluid)material)(embaying)ejecta)of)sm)crater))•  Lg)crater)filled)to)rim)with)smooth)plains)volcanic)material)•  Lobate)scarp)formed)later)–)cross)cutting)both)craters)•  Ejecta)from)large)crater)at)top)came)later)

Venus)

•  Radar)Images)–  Shield)volcanos)–  Few)impact)craters)–  Domes)–  Coronae)(uplift)regions))

•  Other)evidence)–  High)SO2)content)–  Lightening;)radio)emission)

Cone volcanos

Volcanic rift

Lava Flows

Sinuous rille

•  2)volcanic)regions)–  Tharsis,)Elysium)–  8000)km)in)diam)(25%))–  Broad)topographic)rise)

•  Origins)–  Thick)lithosphere)– Mantle)convective)upwellings)

Mars Volcanism

Olympus)Mons)•  “Hot)Spot”)volcanism)•  Evidence)for)lack)of)plate)

tectonics)•  Largest)SS)volcano)

Calderas)Elysium)Mons)

Mars:))Pavonis)Mons)

"  Mars Express image 5/23/06 "  12 km high central shield volcano, 59 km lava tubes

Apollinaris)Patera)

"  Mars Express image "  Ancient 5km high shield volcano N of Gusev crater

Syrtis)Mons) Elysium Lava Tubes

Outer)Solar)System)Volcanos)

•  Io)– Most)volcanically)active)body)in)Solar)System)

–  Plumes)300)km)over)horizon)–  E)source)–)friction)from)tidal)stretching)

•  Triton)–  Cryovolcanism)–  Nitrogen)plumes)–  Energy)source)–)solar)heat)(like)a)comet))

Volcanic Fire curtains Active region 25 km long, 1 km high

Magma T: 1700-2000K Earth magma T: 1500K

Enceladus)

•  Possible)hot)spot)–)warmer)than)the)local)surroundings)

•  Composition)–  On)Earth)–)volcanoes)are)made)from)silicate^magma)

–  On)Io)–)magma)enriched)in)sulfur)

–  These)may)be)due)to)methane)magma)

Titan)Volcanic)Activity?) Cometary)Volcanos)–)Tempel)1?)

•  Pyroclastic)flow)–  Refractory)material)(rocks,)debris))suspended)in)a)hot)gas)flow)

–  Forms)characteristic)delta)–  Steep)front)edge)–  Particle)size)“sorting”�!)))flow)features)

What)does)Tectonics)Tell)Us?)

•  Controls)many)observable)features)

–  Mountains)

–  Ridges,)faults)

•  Signs)of)internal)processes:))

•  mantle)convection)&)heat)flow)

•  Plays)a)role)in)habitability)

–  Cycling)of)volatiles)

Ganymede faulting

Miranda

Conclusions)

•  Volcanic)processes)are)a)result)of)escaping)heat)•  Tectonics)are)a)result)of)heating,)cooling)and)subsequent)crustal)

movement)•  Both)create)characteristic)landforms)

–  Markers)of)interior)processes)