Skąd czerpiemy wiedzę dotyczącą budowy wnętrza Ziemi?

Nie jesteśmy w stanie czerpać wiedzy na temat budowy wnętrza Ziemi z badań bezpośrednich. Jest to niewykonalne z uwagi na zmieniające się warunki (wysoka temperatura i ciśnienie) wraz z głębokością, które uniemożliwiają nie tylko człowiekowi, ale i urządzeniom mechanicznym właściwe funkcjonowanie w tych warunkach. Odwierty sięgały maksymalnie 13 kilometrów a kopalnie udostępniły skały zalegające tylko do 4000m p.p.m. Jest to za mała głębokość, by poznać całkowite wnętrze Ziemi i jej przekrój. Tymi sposobami człowiek może poznać jedynie 1% budowy wnętrza Ziemi. Naszą wiedzę czerpać możemy jedynie z badań geofizycznych - badanie fal sejsmicznych, zmiany, którym ulega pole magnetyczne i grawitacyjne Ziemi, przewodnictwo elektryczne skał oraz inne właściwości fizyczne panujące we wnętrzu Ziemi.

Głównym jednak źródłem są analizy sejsmiczne, badające trzęsienia ziemi i wywołujące je naturalne fale jak i antropogeniczne. Znajomość czasu, miejsca powstawania i momentu dotarcia fal w różne punkty Ziemi, pozwala obliczyć prędkość fali, z jaką powyższa fala wędruje w otchłani ziemskiej. Porównując te prędkości z prędkością rozchodzenia się fal w skałach powierzchniowych, aby określić skład budulcowy powłok ziemskich.

XX w. przyniósł wiadomość, że wnętrze Ziemi nie jest jednolite pod względem budulcowym. Składa się ona z kilku warstw, w których fale sejsmiczne rozchodzą się z różną prędkością. Wnętrze Ziemi składa się z: skorupy ziemskiej, płaszcza i jądra. Poprzegradzane są one powierzchniami nieciągłości - jedną z najbardziej znanych jest strefa Moho, odkryta w 1909r w Chorwacji przez chorwackiego uczonego Mohorowcica, a znajdująca się między płaszczem a skorupą ziemską. Inną strefa rozdzielającą płaszcz ziemski od jądra zewnętrznego jest strefa nieciągłości odkryta przez uczonego Wiecherta - Gutenberga, nazwana również jego nazwiskiem. Jest to specyficzna strefa, rozdziela ona bowiem powierzchnie o różnym stanie skupienia, gdyż w wyniku badań uczeni doszli do wniosku, że jądro wewnętrzne w przeciwieństwie do pozostałych powłok jest ciałem płynnym - wnioski te wysunęli na podstawie różnej prędkości rozchodzenia się fal.

Z czego składa się skorupa ziemska?

Jest to górna warstwa Ziemi, błędem jest jednak nazywanie jej litosferą. Od spągu ograniczona jest powierzchnią nieciągłości Moho. Budulcem tej powierzchni jest materiał stały, jedynie lokalne ogniska magmowe wypełnione są ciekłym stopem krzemianowym, który jednak nie pozostaje ciągle w stanie spoczynku, ale nieustannie dokonuje przemieszczeń. Jej grubość zmienia się w zależności od położenia- pod oceanami jej grubość wynosi od kilku do kilkudziesięciu (30 -40 km) kilometrów zaś pod lądami sięga nawet grubości 80 km ( obszary górskie, np.: Himalaje). Objętościowo w skali globu zajmuje 1,45 i 0,3% masy. Cechą charakterystyczną jest jej ogromne zróżnicowanie ze względu na parametry fizyczne i chemiczne. Skorupa ziemska zbudowana jest z dwóch odmiennych kompleksów skał: wewnętrzny kompleks krystaliczny, znajdując się pod powłoką zbudowaną z osadów tworzy trzon krystaliczny miejscami niekiedy dochodzi do sytuacji, gdzie wyłania się miejscami ponad powierzchniowy kompleks osadowy, zbudowany z osadów chemicznych i organicznych. Z tego powodu możemy zróżnicować skorupę ziemska na skorupę oceaniczna i kontynentalną. Poniższa tabela zawiera skrótowy opis budowy poszczególnych części skorupy ziemskiej - skorupę kontynentalną i oceaniczną:

Skorupa Kontynentalna - "warstwa granitowa"

Skorupa Oceaniczna - "warstwa bazaltowa"

Kompleks osadowy; duże zróżnicowanie; skały luźne i zwięzłe o grubości do 20 km. W niektórych obszarach brak, niekiedy wyłania się kompleks krystaliczny w postaci tarcz i górotworów

Kompleks krystaliczny; na dnie oceanicznym z wyjątkiem grzbietów śródoceanicznych; budowa warstwowa; skały kwaśne: granit, gnejs, łupek krystaliczny - warstwa granitowa; skały zasadowe: gabro, amfibolit, granulit (warstwa gabrowo - bazaltowa); średnia miąższość 300 - 500 m (max. 2 km); rozdziela je warstwa pośrednia z częstą działalnością magmową

Pierwiastki tworzące powyższe grupy skał to:

  • Tlen O2
  • Krzem Si
  • Glin Al.
  • Żelazo Fe
  • Wapń Ca
  • Sód Na
  • Potas K
  • Magnez Mg

Z czego składa się płaszcz ziemski?

Poniżej skorupy ziemskiej i powierzchni nieciągłości Moho badania wykazały istnienie warstwy perydotytowej, budującej wraz z nadległą warstwą powłokę litosferyczną. Jest to najwyższa warstwa płaszcza, budują ją ciężkie i ciemne skały z rodzaju skał magmowych i metamorficznych. Płaszcz ziemski jest ciałem sztywnym i wysokiej gęstości wyższej nawet od gęstości skał w skorupie ziemskiej (3,3 g/cm3). Dolna granica przebiegająca na różnych głębokościach różnicuje się od 10 km pod grzbietami śródoceanicznymi aż do 250 km w rejonach kontynentów.

Niżej położona jest astenosfera o charakterze małowytrzymałym i półplastycznym oraz o grubości 70 - 150 a nawet 400km p.p.z. Pod nią mezosfera jest ogólnie rzecz biorąc ciałem sztywnym, ale posiada okresy plastyczne jak nadległa astenosfera i stanowi 80% objętości Ziemi. Astenosfera jest ciałem bardzo charakterystycznym i ciekawym, i właśnie z tego powodu staje się tak atrakcyjna dla uczonych i badaczy. W wyniku nacisku astenosfera ugina się, rozpływa się na boki, dając miejsce do wypełnienia przez siłę nacisku. Taki nacisk może wywołać przykładowo nasuwający się lodowiec czy zbiornik wodny o dużej pojemności. Jeżeli natomiast nacisk zostanie zdjęty astenosfera powraca do swojego poprzedniego stanu, spływa z boków, powodując jednoczesne wypiętrzenie materiału znajdującego się nad jej powierzchnią.

Głębokość płaszcza ziemskiego dochodzi do 2900 km do powierzchni nieciągłości Wiecherta - Gutenberga. W strefie granicznej z jądrem gęstość płaszcza podnosi się stopniowo do ponad 6,5 g/cm3. Naukowcy sprzeczają się, czy górna granica płaszcza składa się z przeważającej części z krzemianów żelaza i magnezu a dolna z niklu i chromu.

Z czego składa się jądro ziemskie?

Barysfera czyli jądro Ziemi o gęstości 12 - 17 g/cm3, stanowiące aż 16% jej objętości i 31% masy, znajduje się najgłębiej w jej wnętrzu. Stanowi punkt centralny, serce, które posiada nie mały wpływ na życie na powierzchni. Jądro zewnętrzne jest w stanie ciekłym (roztopione metale) lub gazowym, w przeciwieństwie do jądra wewnętrznego, posiadająca cechy sprężystości, co może świadczyć o jego stałym charakterze. Cała barysfera zbudowana jest z metalicznego żelaza i niklu z domieszkami tlen, siarki, krzemu i potasu. Jądro wewnętrzne jest w stanie stałym i (prawdopodobnie) może ulegać ruchowi wirowemu wokół własnej osi. Z tego właśnie względu może być dodatkowym stymulatorem siły ciężkości na Ziemi.

Jakie są właściwości fizyczne wnętrza Ziemi?

Cechą charakterystyczna wnętrza ziemskiego jest wprost proporcjonalny wzrost temperatury i ciśnienia wraz ze wzrostem głębokości. Ciśnienie we wnętrzu ziemi w jądrze wewnętrznym wynosi 3 100 000 atmosfer. Temperatura zaś osiąga niebagatelne wartości 4,5 - 5 tysięcy stopni Celsjusza. Ze wzrostem temperatury do wnętrza Ziemi związane są dwa pojęcia:

  1. stopień geotermiczny - jest to wielkość, która mówi nam o ile metrów w głąb ziemi należy się przesunąć, aby temperatura wzrosła o 1 stopień Celsjusza. Jest to innymi słowy wzrost temperatury o 1ºC na średnio 33 m. Na platformach kontynentalnych jego wartości są znacznie wyższe, bo dochodzą nawet do 200 m. Polska odbiega od standardów średnich, w naszym kraju stopień geotermiczny przyjmuje wartość 47 m. Zależność wzrostu temperatury jest tak efektywna jedynie blisko powierzchni Ziemi, głębiej ten wzrost jest bardziej ustabilizowany.
  2. gradient geotermiczny - informuje nas jaki jest wzrost temperatury przy określonym wzroście głębokości. Najczęściej odnosi się to go głębokości 100 metrów. Dla Polski gradient geotermiczny osiąga wartości 3 stopnie Celsjusza/ 100 metrów.