Geofysik
Jorden är en levande planet och geofysiker studerar jordens fysikaliska egenskaper och processer. Det är en tvärvetenskaplig gren som kombinerar kunskaper inom geologi, fysik, kemi, och matematik för att förstå och utforska olika aspekter av jorden. Geofysik används för att studera jordens inre struktur, dess ytegenskaper, och olika geofysikaliska processer som påverkar planeten.
Beskrivning
Jorden omformas konstant av de aktiva processer som pågår i jordens inre. Geofysiken strävar efter att förstå jordens historia och dess struktur. Vi vill veta vad som driver processerna i jordens inre och genom avancerade mätningar kan vi se hur jorden ser ut inuti, från jordskorpan via manteln ända ner till jordens kärna.
Som en del av forskningsprogrammet för geofysik analyserar det svenska nationella seismiska nätet (SNSN) jordbävningar både i Sverige och globalt.
Vår forskning
Bergskedjebildning
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
Jordbävningsseismologi
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).
Litosfärsgeofysik
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.
Vetenskaplig borrning
Bergen berättar om planeten jordens utveckling
Bergen och sedimenten på våra kontinenter och i våra hav ger en bild av hur planeten jorden har utvecklats. Kunskap om jordens historia är viktig för vår civilisation, bland annat för att säkra en hållbar utvinning av jordens naturresurser, för att få kunskap om klimatets utveckling genom tiderna, för att lära oss hur kraftfulla processer i jordskorpan kan leda till naturkatastrofer och för att inse hur ekosystemen är uppbyggda och hur de påverkas av mänsklig aktivitet.
Underjordisk forskning till havs och på land
Det är kostsamt att alstra geovetenskaplig kunskap som kräver information från berggrunden i underjorden. Borrningar är ofta det enda sättet att direkt provta och samla in mätdata från berggrunden. Men det krävs avancerad infrastruktur för att bedriva borrningar i såväl havsbottnar som på kontinenterna. Därför har två internationella vetenskapliga borrprogram vuxit fram, International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) och International Ocean Discovery Program (IODP). Sverige är medlem i båda organisationerna, och nationella insatser och intressen koordineras i Svenska vetenskapliga borrprogrammet (Swedish Scientific Drilling Program SSDP, förr SDDP) på Uppsala universitet. SSDP är en samordnings- och stödfunktion för forskare som har ett intresse i vetenskaplig borrning och hjälper med att utforma och genomföra vetenskapliga borrprojekt.
Riksriggen, en svensk forskningsinfrastruktur
Sverige har också en egen en nationell forskningsinfrastruktur för vetenskaplig borrning. ”Riksriggen” (www.riksriggen.se) är en mångsidig plattform för multidisciplinär underjordisk forskning som kan användas av det svenska och internationella borrsamhället genom hela livscykeln för vetenskaplig borrning. Den har kapacitet att utföra kärnborrning, borrhålsmätningar och spänningsmätningar på plats till ett djup av 2,5 km.
Bergens historia påverkar oss än idag
Ett vetenskapligt borrprojekt som leds av forskare vid Uppsala universitet är "Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides" (COSC). Huvudsyftet med COSC är att studera processerna kring bergskedjebildning, eller orogen som det egentligen kallas; vilka processer som är aktiva när en stor bergskedja som Himalaya bildas. Dessa processer pågår tiotals kilometer under jordens yta men de får konsekvenser och återverkningar på olika sätt; som i useendet på landskapet, som exempelvis Tibetanska platån och mer allvarliga konsekvenser, i form av t.ex. naturkatastrofer och jordbävningar, påverkar många miljoner människor.
Våra bergskedjor skapades som på samma sätt som Himalaya
Tyvärr är det inte möjligt att studera dessa djupgående processer direkt i ett modernt bergsbälte (orogen). Det kaledoniska bergsbältet var ungefär lika stort som dagens Himalaya för ca 400 miljoner år sedan, men har sedan dess eroderats kraftigt. Bergarter som deformerades i mitten av skorpan under den kaledoniska orogenesen är nu exponerade vid ytan.
Inom COSC studerar vi ett nyckelområde i Jämtland med hjälp av vetenskaplig borrning och jämför resultaten med mer moderna bergsformationer som Himalaya. Målet är att knyta samman pågående processer i aktiva bergskedjor med spår efter "fossila" processer i gamla orogener, för att bättre förstå utvecklingen av dagens bergskedjor och dessa processer har förändrats genom tiden.
Med två borrhål ner till ca. 2,5 km djup vill vi ta ett kontinuerlig prov (borrkärna) och därmed profil genom en del av fjällkedjan som har skjutits sammanlagt flera hundra kilometer över Sveriges urberg (Fennoskandiska skölden). 2014 har vi framgångsrikt borrat första borrhålet COSC-1 strax öster om Åre i Jämtland, med finansiering av ICDP och Vetenskapsrådet. Andra borrhålet i projektet, COSC-2, nära Järpen-Mörsil i Jämtland, borrades 2020 till ca. 2,3 km. COSC är ett internationellt projekt som innefattar ett femtiotal forskare från mer än tio länder och leds av forskare vid geofysiska programmet på Uppsala universitet. Forskningsområden är mångfaldigt. Förutom orogena processer studeras t.ex. de termiska förhållandena i bergmassan runt borrhålen, fysikaliska egenskaper av och grundvattenflödet i bergmassan, och den djupa biosfären, alltså mikrober i den speciella miljön av omvandlade och starkt deformerade bergarter.
Vi är medlemmar i The Swedish Scientific Drilling Program (SSDP), International Continental Scientific Drilling Program (ICDP), International Ocean Discovery Program (IODP), European Consortium for Ocean Research Drilling (ECORD)- medlem i IODP, Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides (COSC) och arbetar med flera olika infrastrukturer.
Vulkanseismologi
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
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.
Geomagnetism, paleomagnetism och mineralmagnetism
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.
Forskarutbildning
Enligt internationella utvärderingar har Uppsala universitet bland Europas mest heltäckande forskning inom geovetenskap och vid Uppsala universitet hamnar våra doktorander i topp när det gäller hur nöjd man är med forskarutbildningen. Vi erbjuder doktorandstudier inom åtta forskningsområden.
Läs mer om vår forskarutbildning.
Forskningsprojekt
- Elastisk struktur i skorpan och överst i manteln kring Gregory Rift, Öst Afrika
- IsTremor - Karakterisering och lokalisering av vulkanisk, geothermisk, vatten och anthropologisk tremor på Island
- Reflektionsseismiska undersökningar för CCS geologisk karaktersering i Trelleborgområdet, södra Sverige
- Undersökning av ursprunget och naturen av den prekambriska seismika reflektiviteten vid det djupa COSC-2 borrhålet
- Utvärdering av seismiska insamlingsmetoder vid Uppsala Universitets testplats i Marsta
Publikationer
A rockslide-generated tsunami in a Greenland fjord rang Earth for 9 days
Ingår i Science, s. 1196-1205, 2024
Ingår i International Journal of Greenhouse Gas Control, 2024
2024
Ingår i Geophysics, 2024
Ingår i Seismological Research Letters, s. 2422-2427, 2024
Ingår i Geophysical Journal International, s. 1728-1742, 2024
Ingår i Chemical Geology, 2024
2024
Ingår i Pure and Applied Geophysics, s. 65-86, 2024
Ingår i Earth and Planetary Science Letters, 2024
Ingår i First Break, s. 89-93, 2024
SubCity: Planning for a sustainable subsurface in Stockholm
Ingår i Tunnelling and Underground Space Technology, s. 105545, 2024
Ingår i Bulletin of The Seismological Society of America (BSSA), s. 2237-2250, 2024
Ingår i Gondwana Research, s. 14-29, 2024
Ingår i Terra Nova, 2024
Ingår i Geophysical Prospecting, s. 1132-1151, 2023
- DOI för 3D reflection seismic imaging of the Zinkgruvan mineral-bearing structures in the south-eastern Bergslagen mineral district (Sweden)
- Ladda ner fulltext (pdf) av 3D reflection seismic imaging of the Zinkgruvan mineral-bearing structures in the south-eastern Bergslagen mineral district (Sweden)
3D reflection seismic imaging of volcanogenic massive sulphides at Neves-Corvo, Portugal
Ingår i Geophysical Prospecting, s. 1116-1131, 2023
Ingår i Terra Nova, s. 213-219, 2023
- DOI för Brittle basement deformation during the Caledonian Orogeny observed by K-Ar geochronology of illite-bearing fault gouge in west-central Sweden
- Ladda ner fulltext (pdf) av Brittle basement deformation during the Caledonian Orogeny observed by K-Ar geochronology of illite-bearing fault gouge in west-central Sweden
Ingår i Geophysics, 2023
Ingår i Earthquake spectra, s. 2152-2172, 2023
Ingår i Journal of Metamorphic Geology, s. 235-270, 2023
- DOI för Deciphering the tectonometamorphic history of subducted metapelites using quartz‐in‐garnet and Ti‐in‐quartz (QuiG–TiQ) geothermobarometry: A key for understanding burial in the Scandinavian Caledonides
- Ladda ner fulltext (pdf) av Deciphering the tectonometamorphic history of subducted metapelites using quartz‐in‐garnet and Ti‐in‐quartz (QuiG–TiQ) geothermobarometry: A key for understanding burial in the Scandinavian Caledonides
Ingår i Scientific Drilling, s. 113-135, 2023
Diffraction denoising using self‐supervised learning
Ingår i Geophysical Prospecting, s. 1215-1225, 2023
Ingår i Geophysical Prospecting, 2023
Ingår i Journal of Geophysical Research - Solid Earth, 2023
- DOI för Dynamic Rupture Models, Fault Interaction and Ground Motion Simulations for the Segmented Husavik-Flatey Fault Zone, Northern Iceland
- Ladda ner fulltext (pdf) av Dynamic Rupture Models, Fault Interaction and Ground Motion Simulations for the Segmented Husavik-Flatey Fault Zone, Northern Iceland