Global Tectonics

Earth’s Magnetism

Earth‘s magnetic  

field is what would  

be expected if there  

were a large bar  

magnet located at  

the center of the Earth.  

Global Tectonics

Earths Magnetism

Curie Temperature

In the 1950s it was discovered that when magnetic minerals  

cool below the Curie Temperature, domains within the  

magnetic mineral take on an orientation parallel to any external  

magnetic field present at the time they cool below this  

temperature.

Global Tectonics

History of Earths Magnetic field

Paleomagnetism 

Initial studies of the how  

the position of the Earth‘s  

magnetic pole varied with  

time were conducted in  

Europe. These studies  

showed that the magnetic  

pole had apparently  

moved through time. 

When similar measurements  

were made on rocks of  

various ages in North  

America, however, a  

different path of the  

magnetic pole was found. 

This either suggested that (a) the Earth has had more than one  

magnetic pole at various times in the past (not likely), or (b) that  

the different continents have moved relative to each other over  

time. 

Studies of ancient pole  

positions for other  

continents confirmed  

the latter hypothesis,  

and seemed to confirm  

the theory of  

Continental Drift. 

Global Tectonics

Sea‐Floor Spreading

The purpose was to  

understand the  

topography of the  

sea floor to find  

hiding places for  

submarines.  

The topographic  

studies involved  

measuring the depth  

to the sea floor. 

These studies revealed the presence of two important  

topographic features of the ocean floor: 

Oceanic Ridges  & Oceanic Trenches

Global Tectonics

Sea- floor spreading

Oceanic Ridges

 long sinuous ridges that occupy the middle of  

the Atlantic Ocean and the eastern part of the Pacific Ocean.

These are oceanic ridges where new oceanic lithosphere is  

Because the oceanic ridges are areas of young crust, there is  

very little sediment accumulation on the ridges.  

Sediment thickness increases in both directions away of the  

ridge, and is thickest where the oceanic crust is the oldest.

Global Tectonics

Sea Floor Spreading

Oceanic Trenches

 deep trenches along the margins of  

continents, particularly surrounding the Pacific Ocean.

Global Tectonics

Sea Floor Spreading

magnetic  

anomalies

The records from the magnetometers revealed magnetic  

anomalies on the sea floor, with magnetic high areas running  

along the oceanic ridges, and parallel bands of alternating high  

and low magnetism on either side of the oceanic ridges.

Global Tectonics

Sea-Floor spreading

Reversals of the Earth‘s Magnetic Field 

By dating the rocks by radiometric  

techniques and correlating the  

reversals throughout the world  

they were able to establish the  

magnetic time scale.

Global Tectonics

Sea‐Floor Spreading 2

As this magma cooled it  

took on the magnetism  

of the magnetic field at  

the time.  

When the polarity of the  

field changed new crust  

and lithosphere created  

at the ridge would take  

on the  different polarity.  

This hypothesis led to  

the theory of sea floor  

spreading. 

Global Tectonics

Divergent Plate boundaries

where plates move away from  

each other.  

Global Tectonics

Convergent Plate Boundaries

where plates move toward  

each other.  

When a plate of dense oceanic lithosphere moving in one direction collides with a plate moving in the opposite direction, one of the plates subducts beneath the other. Where this occurs an oceanic trench forms on the sea floor and the sinking plate becomes a subduction zone. The Wadati-Benioff Zone, a zone of earthquakes located along the subduction zone, identifies a subduction zone. The earthquakes may extend down to depths of 700 km before the subducting plate heats up and loses its ability to deform in a brittle fashion.

As the oceanic plate subducts, it begins to heat up causing the release water of water into the overlying mantle asthenosphere. The water reduces the melting temperature and results in the production of magmas. These magmas rise to the surface and create a volcanic arc parallel to the trench.

If the subduction occurs beneath oceanic lithosphere, an island arc is produced at the surface (such as the Japanese islands, the Aleutian Islands, the Philippine islands, or the Caribbean islands

If the subduction occurs beneath continental crust, a continental volcanic arc is produced (such as the Cascades of the western U.S., or the Andes mountains of the South America)

Global Tectonics

Transform Plate Boundaries,

where plates slide past one  

another.  

Where lithospheric plates slide past one another in a horizontal manner, a transform fault is created. Earthquakes along such transform faults are shallow focus earthquakes.

Most transform faults occur where oceanic ridges are offset on the sea floor. Such offset occurs because spreading takes place on the spherical surface of the Earth, and some parts of a plate must be moving at a higher relative velocity than other parts One of the largest such transform boundaries occurs along the boundary of the North American and Pacific plates and is known as the San Andreas Fault. Here the transform fault cuts through continental lithosphere

subducts- GLOBAL TECTONICS

When a plate of dense oceanic lithosphere moving in one  

direction collides with a plate moving in the opposite direction,  

one of the plates subducts beneath the other.

subduction zone

Where this occurs an oceanic trench forms on the sea floor  

and the sinking plate becomes a subduction zone.

Wadati‐Benioff zone

A zone of earthquakes – the  

Wadati‐Benioff zone  ‐ that  

extend downward along the  

subduction zone, identifies  

subduction zones. 

The earthquakes may  

extend down to depths of  

700 km before the  

subducting plate heats up  

and loses its ability to  

deform in a brittle fashion.

island arc

If the subduction occurs beneath oceanic lithosphere, an  

island arc is produced at the surface (such as the Japanese  

islands, the Aleutian Islands, the Philippine islands, or the  

Caribbean islands 

continental  

volcanic arc

If the subduction occurs beneath continental crust, a continental  

volcanic arc is produced (such as the Cascades of the western  

U.S., or the Andes mountains of the South America) 

accretionary prism.

This will break the  

rocks up into a  

chaotic mixture of  

broken, jumbled, and  

thrust faulted rock  

known as an  

accretionary prism.

transform fault

Where lithospheric plates slide past one another in a  

horizontal manner, a transform fault is created. 

Triple Junctions

occur at points where thee plates meet.

What Causes Plate Tectonics? 

From seismic wave velocities we know that the asthenosphere  

behaves in ductile manner, that is even though it is solid it can  

flow under stress and behave like a liquid.  

If this is the case, then it can also convect.  

Convection is a mode of heat transfer wherein the heat moves  

with the material.  

Convection is caused when material that occurs at a deeper  

level is heated to the point where it expands and becomes less  

dense than the material above it.  

When this occurs, the hot  

less dense material rises.  

Rising hot material will  

eventually cool and  

become denser than its  

surroundings.  

This cool dense material  

must then sink.  

This gives rise to convection cells, with hot rising currents and  

cool descending currents.

If the asthenosphere is in fact moving as a result of convection,  

then convection could be the mechanism responsible for plate  

tectonics. Hot rising currents would occur beneath oceanic  

ridges.

Magma intruding into the ridge would push lithosphere apart  

at the ridge. 

As the new lithosphere cools, it will slide off the topographic  

high that results from the upwelling of the mantle and will  

eventually become cold and dense. 

Developed societies depend on mineral resources. 

Metals – Iron, copper, lead, zinc, nickel, aluminum, etc.

Non‐metals – Gypsum, limestone, aggregate, clay

Geologic definition of a mineral is specialized: 

Naturally occurring. 

Solid. 

Formed geologically. 

Definite chemical  

composition.  

Ordered atomic  

arrangement.  

Mostly inorganic. 

noble gasses

Noble gases have completely filled outer shells, so they are  

stable.

The Silicate Minerals 

The most common minerals are those based on Si and O:  the  

Silicates.  

Silicates are based on SiO4‐4tetrahedron.

Silica tetrahedralink together by sharing oxygens. 

More shared oxygen = lower Si:Oratio; governs… 

Melting temperature. 

Mineral structure and cationspresent.  

Susceptibility to chemical weathering.  

Tetrahedra share no oxygens ‐ linked by cations.

2‐dimensional sheets of linked tetrahedra. 

Characterized by one direction of perfect cleavage. 

Mica Group

silicate minerals

 Biotite (dark) and Mucsovite (light).

Clay Mineral Group

silicate minerals

 Feldspar weathering residue; tiny.

Congruent streak

 Streak color same as mineral.  

Magnetite – Black mineral; black streak.

Incongruent streak

 Streak color different than mineral. 

Chromite – Black mineral; greenish‐brown streak. 

Luster 

The way a mineral scatters light. 

Two subdivisions.   

Metallic – Looks like a metal. 

Nonmetallic. 

Vitreous (glassy). 

Satiny. 

Silky. 

Resinous. 

Pearly. 

Earthy (dull).  

Adamantine (brilliant). 

Quartz – Vitreous luster 

Quartz – Vitreous luster

Cleavage

Tendency to break along planes of weakness.  

Cleavage produces flat, shiny surfaces. 

Described by number of planes and their angles. 

Sometimes mistaken for crystal habit.   

Cleavage is through‐going; often forms parallel “steps.” 

Crystal habit is only on external surfaces.  

1, 2, 3, 4, and 6 cleavages possible.  

Talc, Graphite 

2. Gypsum 

3. Calcite 

4. Fluorite 

5. Apatite 

6. Orthoclase  

7. Quartz 

8. Topaz 

9. Corundum 

10. Diamond

Chemical composition

gasses in magma

Mostly H2O (water vapor) & some CO2 (carbon dioxide) 

Minor amounts of Sulfur, Chlorine, & Fluorine gases 

1. Basaltic or Gabbroic- high in fe, mg, ca low in k, na

2. Andesitic or Dioritic- intermediate in fe mg ca na k

3. Rhyolitic or Granitic- low in fe mg ca high in k na

The amount of gas

gasses in magmas

Related to the chemical composition of the magma – 

Felsic magmas usually have higher gas contents than  

mafic magmas.

geothermal gradient

Temperature increases with depth in the earth along the  

geothermal gradient. 

Under normal conditions, the geothermal gradient is not high  

enough to melt rocks, and thus most of the Earth is solid. 

The earth is hot inside due to

heat left over from the  

original accretion process 

heat released by sinking  

of materials to form the  

core 

heat released by the  

decay of radioactive  

elements.

dry melting

Temperature 

Solid Liquid 

With No (H2O) or CO2 present  ‐ 

melting occurs at a single  

temperature at any given pressure.   

Melting temperature increases  

with increasing pressure or depth  

in the Earth. Called dry melting. 

temperatures  

increase with increasing  

pressure, except range of  

temperature over which there  

exists a partial melt.  

Solid 

Liquid 

Crystals 

Liquid 

+ 

(Partial Melt) 

 wet melting

Solid + 

Vapor Liquid + 

Vapor 

With H2O or CO2 present melting  

takes place at a single temperature  

at any given pressure, but first  

decreases with increasing  

pressure.   Called wet melting.

range of  

temperature range over  

which partial melting  

occurs.   

Temperature of  

beginning of melting first  

decreases with  

increasing pressure or  

depth, then at high  

pressure or depth  

melting temperatures  

again begin to riseTemperature 

Solid + 

Vapor Liquid + 

Vapor 

Liquid 

+ 

Crystals 

(Partial Melt) 

+ 

Vapor

Decompression Melting

 If hot solid mantle material rises to lower  

pressure or depth, carrying its heat with it,  the new local  

geothermal gradient could become higher than the initial melting  

temperature and a partial melt will form. Thus, generation of magma in these three environments is likely  

caused by decompression melting.  

Transfer of Heat

When magmas  

generated by some other  

mechanism intrude into crust, they  

bring with them heat.

Flux Melting

If water or carbon dioxide are added to rock, the  

melting temperature is lowered. 

If the addition takes place deep in the earth where the temperature  

is already high, the lowering of melting temperature could cause the  

rock to partially melt to generate magma.

Water introduced at subduction zones.

Water present in the pore spaces of the subducting sea floor or in  

minerals ‐ hornblende, biotite, or clay minerals ‐ released by the rising  

temperature and then moves into overlying Mantle. 

Magmas vary chemically due to… 

Initial source rock compositions. 

Partial melting. 

Assimilation. 

Mixing 

Fractional crystallization.

Initial Composition of Magma 

The initial composition of the  

magma is dictated by the  

composition of the source rock and  

the degree of partial melting. 

In general, melting of a mantle  

source (garnet peridotite) results in  

mafic/basaltic magmas. 

Melting of crustal sources yields  

more siliceous magmas. 

Magmatic Differentiation 

Processes that operate during transportation  

toward the surface or during storage in the  

crust can alter the chemical composition of the  

magma. 

These processes are referred to as magmatic  

differentiation and include assimilation,  

mixing, and crystal fractionation. 

Assimilation

As magma passes  

through cooler rock it may  

partially melt the surrounding  

rock and incorporate this melt  

into the magma. 

Mixing

 If two magmas with different  

compositions happen to come in contact  

with one another, they could mix together. 

The mixed magma will have a composition  

somewhere between that of the original  

two magma compositions. 

Evidence for mixing is often preserved in  

the resulting rocks. 

Fractional Crystallization

 When magma crystallizes it does so  

over a range of temperature.  

Each mineral begins to crystallize at a different temperature, and  

if these minerals are somehow removed from the liquid, the  

liquid composition will change. 

The processes is called magmatic differentiation by Fractional Crystallization.

Chemical Composition of Magmas

Crystals can be removed by a variety of  

processes.  

If the crystals are more dense than the  

liquid, they may sink.  

If they are less dense than the liquid  

they will float.  

If liquid is squeezed out by pressure,  

then crystals will be left behind. 

Bowen’s Reaction Series

As a mafic/basaltic magma is cooled Olivine and Ca‐rich plagioclase  

crystallize first. 

Upon further cooling, Olivine reacts with the liquid to produce  

pyroxene and Ca‐rich plagioclase react with the liquid to produce  

less Ca‐rich plagioclase.

But, if the olivine and Ca‐rich plagioclase are removed from the  

liquid by crystal fractionation, then the remaining liquid will be  

more SiO2 rich. 

If process continues, an original mafic/basaltic magma changes to  

andesite magma then a rhyolite magma with falling temperatur

Non‐explosive eruptions

favored by low gas content and low  

viscosity magmas (basaltic to andesitic magmas and sometimes  

rhyolitic magma). 

Usually begin with fire fountains due to release of dissolved  

gases. 

• Usually begin with fire fountains due to release of dissolved gases 
  
• Produce lava flows on surface 
  
• Produce Pillow lavas if erupted beneath water

pyroclastic flow

If eruption column collapses a  

pyroclastic flow may occur,  

wherein gas and tephra rush  

down the flanks of the volcano  

at high speed.

ignimbrites

This is the most dangerous  

type of volcanic eruption. The  

deposits that are produced are  

called ignimbrites.

Intrusive Environments

When magma intrudes it usually affects the surrounding rock and  

is also affected by the surrounding rock. It may metamorphose  

the surrounding rocks or cause hydrothermal alteration. The  

magma itself may also cool rapidly near the contact with the  

surrounding rock and thus show a chilled margin next to the  

contact.

 xenoliths 

It may also incorporate pieces of the surrounding rocks without  

melting them. These incorporated pieces are called xenoliths 

(foreign rocks).  

Dikes 

Dikes are small (<20 m wide) shallow intrusions that show a  

discordant relationship to the rocks in which they  

intrude. Discordant means that they cut across preexisting  

structures.

Sills

Sills are also small (<50 m thick) shallow intrusions that show a  

concordant relationship with the rocks that they intrude. Sills  

usually are fed by dikes, but these may not be exposed in the field.

Laccoliths

Laccoliths are somewhat large intrusions that result in uplift and  

folding of the preexisting rocks above the intrusion. They are also  

concordant types of intrusions

Plutons

Plutons are large intrusive bodies, of any shape that intrude in  

replace rocks in an irregular fashion.

Stocks

Stocks are smaller bodies that are likely fed from deeper level  

batholiths. Stocks may have been feeders for volcanic eruptions,  

but because large amounts of erosion are required to expose a  

stock or batholith, the associated volcanic rocks are rarely exposed.

batholith

If multiple intrusive events  

occur in the same part of the  

crust, the body that forms is  

called a batholith. 

Several large batholiths occur in  

the western U.S. ‐ The Sierra  

Nevada Batholith, the Coast  

Range Batholith, and the Idaho  

Batholith, for example

aphanitic texture

Fast cooling on the surface  

results in many small crystals  

or quenching to a glass. Gives  

rise to aphanitic texture 

(crystals cannot be  

distinguished with the naked  

eye)

phaneritic texture

Slow cooling at depth in the  

earth results in fewer much  

larger crystals, gives rise to  

phaneritic texture.

Porphyritic texture

 develops  

when slow cooling is followed  

by rapid cooling.

Phenocrysts

larger crystals, matrix or  

groundmass = smaller crystals

Classification of Igneous Rocks 

Igneous rocks are classified on the basis of texture and  

chemical composition, usually as reflected in the minerals that  

from due to crystallization. 

You will explore the classification of igneous rocks in the  

laboratory portion of this course.

Basalts, Andesites,  

and Rhyolites are  

types of volcanic  

rock distinguished  

on the basis of their  

mineral assemblage  

and chemical  

compostion. 

These rocks tend to  

be fine grained to  

glassy or  

porphyritic. 

Pumice

 light colored and light  

weight rock consisting of  

mostly holes (vesicles) that  

were once occupied by gas,  

Usually rhyolitic or andesitic.

Scoria

 rock filled with holes  

(like Swiss cheese) or vesicles  

that were once occupied by  

gas. Usually basaltic and  

andesitic.

Pyroclasts

hot, broken  

fragments. Result from  

explosively ripping apart of  

magma.  

tephra

Loose assemblages of  

pyroclasts called tephra.  

Depending on size, tephra can  

be classified as bombs. lapilli,  

or ash.

pyroclastic rock

Rock formed by accumulation and cementation of tephra called a  

pyroclastic rock or tuff. Welding, compaction and deposition of  

other grains cause tephra (loose material) to be converted in  

pyroclastic rock.  

Large Igneous Provinces

Such large volume eruptions can have affects on the oceans  

because they change the shape of ocean floor and cause a rise in  

sea level, that sometimes floods the continents. 

The plateaus form obstructions which can drastically change  

ocean currents. 

These changes in the ocean along with massive amounts of gas  

released by the magmas can alter climate and have drastic  

effects on life on the planet.

In the past, large volumes of mostly basaltic magma have  

erupted on the sea floor to form large volcanic plateaus, such as  

the Ontong Java Plateau in the eastern Pacific.

Rift Valleys

An excellent example of a  

continental rift valley is  

the East African Rift.

Rising mantle beneath a continent can result in extensional  

fractures in the continental crust to form a rift valley. 

As the mantle rises it undergoes partial melting by decompression,  

resulting in the production of basaltic magmas which may erupt as  

flood basalts on the surface. 

Melts that get trapped in  

the crust can release heat  

resulting in melting of the  

crust to form rhyolitic 

magmas that can also  

erupt at the surface in the  

rift valley. 

Divergent Plate Boundaries

Occasionally a hot spot is coincident with an oceanic ridge. In  

such a case, the hot spot produces larger volumes of magma  

than normally occur at ridge and thus build a volcanic island on  

the ridge.

Hot Spots 

A hot spot located beneath a continent can result in heat  

transfer melting of the continental crust to produce large  

rhyolitic volcanic centers and plutonic granitic plutons below.

A good example of a  

continental hot spot is at  

Yellowstone in the  

western U.S. 

As the overriding plate moves over the hot spot, the volcano  

moves off of the hot spot and a new volcano forms over the hot  

spot. 

This produces a hot spot  

track consisting of lines  

of extinct volcanoes  

leading to the active  

volcano at the hot spot. 

As discussed previously, hot spots are places are places where  

hot mantle ascends toward the surface as plumes of hot rock. 

Decompression melting in these rising plumes results in the  

production of magmas which erupt to form a volcano on the  

surface or sea floor, eventually building a volcanic island.

Convergent Plate Boundaries

Subduction introduces water into the mantle above the  

subduction causing flux melting to produce basaltic magmas. 

These rise toward the surface differentiating by assimilation and  

crystal fractionation to produce andesitic & rhyolitic magmas that  

erupt to form Island Arcs and Continental Margin arcs. 

Magmas that intrude  

beneath the arcs can cause  

crustal melting and form  

plutons and batholiths of  

diorite and granite 

Distribution of Igneous Activity

Igneous activity is currently taking place as it has in the past in  

various tectonic settings. These include diverging and  

converging plate boundaries, hot spots, and rift valleys. 

Classification of Igneous Rocks

Coarse grained rocks,  

formed at deeper  

levels in the earth  

include gabbros,  

diorites, and  

granites. 

These are chemically  

equivalent to basalts,  

andesites, and  

rhyolites. 

Shallow intrusions like dikes and  

sills are usually fine grained and  

sometimes porphyritic because  

cooling rates are similar to those  

of extrusive rocks. 

Classification is similar to the  

classification for  

volcanic/extrusive rocks.

Earth is covered by a thin “veneer” of sediment. 

The veneer caps igneous and metamorphic “basement.”  

Sediment cover varies in thickness from 0 to 20 km. 

Thinner (or missing) where igneous and metamorphic  

rocks outcrop. 

Thicker in sedimentary basins. 

Weathering

 Breaks pre‐existing rock into small fragments  

or new minerals.

Weathering – Breaks pre‐existing rock into small fragments  

or new minerals. 

Transportation of the sediments to a sedimentary basin. 

Deposition of the sediment 

Burial and Lithification to make sedimentary rock.

Geologists recognize two categories of weathering. 

Physical Weathering ‐ Mechanical breakage and  

disintegration of rocks.  

Chemical Weathering ‐ Decomposition by reaction with  

water.  

Although discussed as separate processes, both work together  

to break down rocks and minerals to smaller fragments or to  

minerals more stable near the Earth‘s surface. 

Both types are a response to the low pressure, low  

temperature, and water and oxygen rich nature of the earth’s  

surface. 

Physical Weathering

Mechanical breakup; doesn’t change mineral makeup. 

Creates broken fragments or “detritus.” 

Detrital fragments classified by size. 

Coarse‐grained – Boulders, cobbles, and pebbles. 

Medium‐grained – Sand‐sized. 

Fine‐grained – Silt and clay (mud). 

Development of Joints

Joints are regularly spaced fractures  

or cracks in rocks 

Igneous plutons crack in onionlike “exfoliation” layers.

These layers break off as sheets that slide off of a pluton.  

Over time, this process creates domed remnants.    

Examples:  Half‐Dome (Ca.) and Stone Mountain (Ga.). 

Crystal Growth 

 As water percolates through fractures and  

pore spaces it may contain ions that precipitate to form  

crystals. As these crystals grow they may exert an outward  

force that can expand or weaken rocks. 

Thermal Expansion

Although daily heating and  

cooling of rocks  do not seem  

to have an effect, sudden  

exposure to high temperature,  

such as in a forest or grass fire  

may cause expansion &  

eventual breakage of rock.

Root Wedging

 Plant roots can extend into fractures and  

grow, causing expansion of the fracture.  Growth of plants can  

break rock. 

Animal Activity

 Animals burrowing or moving through cracks  

can break rock. 

Frost Wedging

 Upon  

freezing, there is an   

increase in the volume of the  

water.  As the water freezes  

it expands and exerts a force  

on its surroundings.  

Frost wedging is more  

prevalent at high altitudes  

where there may be many  

freeze‐thaw cycles. 

Chemical Weathering

Many rocks & minerals form at higher Pressure and Temperature.   

At the surface of the Earth, conditions are very different from  

those under which they originally formed.   

Among the conditions present near the Earth‘s surface that are  

different from those deep within the Earth are: 

• Lower Temperature (Near the surface T = 0 ‐ 50oC) 

• Lower Pressure (Near the surface P = 1 ‐ several hundred atm) 

• Higher free water  

• Higher free oxygen 

ron oxides 

Aluminum oxides &  Quartz* 

Clay Minerals 

Muscovite* 

Alkali Feldspar* 

Biotite* 

Amphiboles* 

Pyroxenes* 

Ca‐rich plagioclase* 

Olivine* 

Most Stable 

Least Stable 

*igneous minerals 

The higher the temperature of crystallization, the less stable are  

these minerals at the low temperature near the Earth‘s surface.

The main agent responsible for chemical weathering reactions  

is water and weak acids formed in water. 

An acid is solution that has abundant free H+ ions. 

The most common weak acid that occurs in surface waters is  

carbonic acid. 

Carbonic acid is produced in rainwater by reaction of the  

water with carbon dioxide (CO2) gas in the atmosphere. 

Types of Chemical Weathering Reactions 

hydrolysis

H+ or OH ‐ replaces an ion in the mineral.   

Types of Chemical Weathering Reactions 

Leaching

 ions are removed by dissolution into water.  In  

the example above we say that the K + ion was leached. 

types of chemical weathering reactions

Oxidation

 Since free oxygen (O2) is more common near the   

surface, it may react with minerals to change the oxidation state of  

an ion.  This is more common in Fe (iron) bearing minerals, since Fe  

can have several oxidation states, Fe, Fe+2, Fe+3.   

Deep in the Earth the most common oxidation state of Fe is Fe+2.

Types of Chemical Weathering Reactions 

Dehydration

types chemical weath rctn

Complete Dissolution

 all of the mineral is completely dissolved  

by the water. 

types Chemical Weathering Reactions

Living Organisms

 Organisms like plants, fungi, lichen, and bacteria  

can secrete organic acids that can cause dissolution of minerals to  

extract nutrients. The role of microorganisms like bacteria has only  

recent been discovered.  

Interaction of Physical and Chemical Weathering 

Since chemical weathering occurs on the surface, the water  

and acids that control chemical weathering require access to  

a surface. 

Fracturing the rocks, as occurs during jointing, increases the  

surface area that can be exposed to weathering and also  

provides pathways for water to enter the rock. 

Factors that Influence Weathering 

Rock Type and Structure

Different rocks are composed of different minerals, and each  

mineral has a different susceptibility to weathering.   

 differential  

weathering 

If there are large  

contrasts in the  

susceptibility to  

weathering within a large  

body of rock, the more  

susceptible parts of the  

rock will weather faster  

than the more resistant  

portions of the rock. This  

will result in differential  

weathering. Resistant 

Sandstone 

Susceptible 

Limestone 

Factors that Influence Weathering

Slope

 On steep slopes weathering products may be quickly  

washed away by rains. On gentle slopes the weathering  

products accumulate. On gentle slopes water may stay in  

contact with rock for longer periods of time, and thus result in  

higher weathering rates.  

Factors that Influence Weathering 

Climate

 High amounts  

of water and higher  

temperatures generally  

cause chemical  

reactions to run  

faster. Thus warm  

humid climates  

generally have more  

highly weathered rock,  

and rates of  

weathering are higher  

than in cold dry  

climates.

Factors that Influence Weathering 

Burrowing organisms like rodents, earthworms, & ants, bring  

material to the surface were it can be exposed to the agents of  

weathering.

Soil consists of rock and  

sediment that has been  

modified by physical and  

chemical interaction with  

organic material and  

rainwater, over time, to  

produce a substrate that can  

support the growth of plants.” 

Soil‐forming processes require  

long periods of time.  

Soil may be easily destroyed  

by human activities. 

Soils are an important natural  

resource. 

They represent the interface between  

the lithosphere and the biosphere ‐ as  

soils provide nutrients for plants. 

Soils consist of weathered rock plus  

organic material that comes from  

decaying plants and animals. 

The same factors that control  

weathering control soil formation  

with the exception, that soils also  

requires the input of organic material  

as some form of Carbon.

When a soil develops on rock,  

Soils 

Distinct horizons reflect 

soil-forming processes. 

O Horizonoils

Dark 

organic matter-rich 

surface layer. 

A Horizon 

Organic 

and mineral matter.

E Horizon

Transitional layer 

leached by organic 

acids.  

B Horizon

Organic- 

poor mineral rich 

layer. 

C Horizon

Slightly 

altered bedrock. 

Caliche

In desert climates Caliche- 

(Calcite) forms in soils by 

chemical precipitation of 

calcite. 

laterite

In humid tropical climates intense weathering involving 

leaching occurs, leaving behind a soil rich in Fe & Al 

oxides, and giving the soil a deep red color.  This extremely 

leached soil is called a laterite. 

Soil Erosion

In most climates it takes between 80 and 400 years to form 

about one centimeter of topsoil. 

Thus soil that is eroded by poor farming practices is lost and 

cannot be replaced in a reasonable amount of time.  

This could become critical for world population. 

SED ROCKS 

sedimentation

clastic sedimentation

When the energy of the transporting current is not strong enough to carry these particles, the particles drop out in the process of sedimentation. 

This type of sedimentary deposition is referred to asclastic sedimentation.

SED ROCKS

chemical sedimentation

SED ROCK

biogenic sedimentation

In an environment where there is a depletion of oxygen (Reducing Environment), organic material may be transformed to solid carbon in the form of coal, or may be converted to hydrocarbons, the source of petroleum.

Chemical Sediments and Sedimentary Rocks

Cherts

Surface Features

Ripple Marks 

Mudcracks

surface features

Surface Features

Raindrop Marks

surface features

fossils

Remains of once living organisms.  Probably the most important indicator of the environment of deposition.

• Different species usually inhabit specific environments. 
  
• Because life has evolved - fossils give clues to relative age of the sediment. 
  
• Can also be important indicators of past climates. 

• Iron oxides and sulfides along with buried organic matter give rocks a dark color.  Indicates deposition in a reducing environment. 
  
• Deposition in oxidizing environment produces red colored iron oxides. 

Sedimentary Facies

A sedimentary facies is a group of characteristics which reflect a sedimentary environment different from those elsewhere in the same deposit. Thus, facies may change vertically through a sequence as a result of changing environments through time. Also, facies may change laterally through a deposit as a result of changing environments with distance at the same time.

Common Sedimentary Environments

• Non-marine environments

• Stream sediments 
  
• Lake sediments 
  
• Glacial (ice deposited) sediments 
  
• Eolian (wind deposited) sediments 

Common Sedimentary Environments

• Estuarine sediments 
  
• Deltaic sediments 
  
• Beach sediments 
  
• Carbonate shelf sediments 

• Turbidites 
  
• Deep Sea Fans 
  
• Sediment drifts 

• Deep -Sea oozes 
  
• Land-derived sediments

• Clay Minerals 
  
• Serpentine 
  
• Chlorite 

• Muscovite - hydrous mineral that eventually disappears at the highest grade of metamorphism 
  
• Biotite - a hydrous mineral that is stable to very high grades of metamorphism.
  
• Pyroxene - a non hydrous mineral. 
  
• Garnet - a non hydrous mineral. 

FACTORS THAT CONTROL META.

Temperature 

• Temperature increases with depth in the Earth along the Geothermal Gradient.  Thus higher temperature can occur by burial of rock.
  
• Temperature can also increase due to igneous intrusion.

Fluid Phase

FACTORS CONTROLLING META.

FACTORS CONTROLLING META.

Time

Responses of Rock to Increasing Metamorphic Grade

slate/ slatey cleavage

Responses of Rock to Increasing Metamorphic Grade

Schist/schistosity

Metamorphism of Basalts and Gabbros

Greenschist

Metamorphism of Basalts and Gabbros

Amphibolite

Metamorphism of Basalts and Gabbros

Granulite

Metamorphism of Limestone and Sandstone

Marble

Metamorphism of Limestone and Sandstone

Quartzite

Types of Metamorphism

• Cataclastic Metamorphism

Types of Metamorphism

Burial Metamorphism

Types of Metamorphism

Contact Metamorphism

types of meta.

Regional Metamorphis

In general, metamorphic rocks do not undergo significant changes in chemical composition during metamorphism.  The changes in mineral assemblages are due to changes in the temperature and pressure conditions of metamorphism.  Thus, the mineral assemblages that are observed must be an indication of the temperature and pressure environment that the rock was subjected to.  This pressure and temperature environment is referred to as metamorphic Facies. (This is similar to the concept of  sedimentary facies, in that a sedimentary facies is also a set of environmental conditions present during deposition).

• Along zones where subduction is occurring, magmas are generated near the subduction zone and intrude into shallow levels of the crust.  Because high temperature is brought near the surface, the geothermal gradient in these regions becomes high (geothermal gradient "A" in the figure above), and contact metamorphism (hornfels facies) results.
  
• Because compression occurs along a subduction margin (the oceanic crust moves toward the volcanic arc) rocks may be pushed down to depths along either a normal or slightly higher than normal geothermal gradient ("B" in the figure above).  Actually the geothermal gradient is likely to be slightly higher than B, because the passage of magma through the crust will tend to heat the crust somewhat.  In these regions we expect to see greenschist, amphibolite, and granulite facies metamorphic rocks.
  
• Along a subduction zone, relatively cool oceanic lithosphere is pushed down to great depths.  This results in producing a low geothermal gradient (temperature increases slowly with depth).  This low geothermal gradient ("C") in the diagram above, results in metamorphism into the blueschist and eclogite facies.

Continental Rifting

global tectonics

A new divergent plate boundary can form when continental lithosphere stretches, and thins to form a rift valley.As the rift widens and thins, upwelling asthenosphere can melt to produce magmas that start to create new oceanic lithosphere and spread the new plates apart (see figure 4.23 in your text)..

An example of an where rifting may be forming a future diverging plate margin is an area of northeastern Africa, called the East African Rift Valley.  Another area where this is apparently occurring is the Basin and Range Province of the Western U.S.

Continental Collisions

global tectonics

When two plates that have low density continental lithosphere collide with one another subduction ceases because the continental lithosphere has too low of a density to be subducted. As the plates continue to collide fold - thrust mountain belts that develop along the zone of collision.

Currently the highest mountains in the world, the Himalayas represent this kind of event. The Himalayas resulted from a collision of the plate containing India with the plate containing Eurasia. This collision is still taking place and results in joining the two formerly separate plates. The occurrence of ancient fold -thrust mountain belts such as the Appalachian Mountains of the Eastern U.S., the Urals of Central Russia, and the Alps of southern Europe, are evidence of ancient continental collision margins.