Viac

3.3: Určenie štruktúry Zeme - geovedy


V predchádzajúcej časti boli popísané vlastnosti a zloženie vnútra Zeme, ktoré si kladú otázku: ako môžeme vedieť, aké sú podmienky hlboko na Zemi? Je ľahké vzorkovať kôru vŕtaním a materiál plášťa často vychádza na povrch ako magma, ale najvzdialenejší, aký sme doposiaľ do kôry dokázali vŕtať, je iba asi 12 km; toto pre planétu s polomerom 6370 km! Aby sme pochopili zloženie a štruktúru hlbokého vnútra Zeme, musíme použiť nepriame metódy, ako je seizmológia.

Seizmológia je štúdium vibrácií vo vnútri Zeme. Tieto vibrácie sú spôsobené rôznymi udalosťami, vrátane zemetrasení, mimozemských nárazov, výbuchov, búrkových vĺn dopadajúcich na pobrežie a prílivových vplyvov. Samozrejme, na detekciu a štúdium zemetrasení sa najbežnejšie používali seizmické techniky, ale existuje veľa ďalších aplikácií a seizmické vlny pravdepodobne poskytujú najdôležitejšie informácie, ktoré máme k dispozícii vo vnútri Zeme. Predtým, ako sa dostaneme hlbšie na Zem, musíme sa pozrieť na vlastnosti seizmických vĺn. Typy vĺn, ktoré sú užitočné na pochopenie vnútra Zeme, sa nazývajú telové vlny, čo znamená, že na rozdiel od povrchových vĺn v oceáne sa prenášajú cez zemské materiály.

Predstavte si, že narazíte na veľký blok silnej skaly (napr. Žuly) ťažkým kladivom. V mieste, kde na ňu kladivo udrie, bude malá časť skaly stlačená o zlomok milimetra. Toto stlačenie sa prenesie do susednej časti skaly a tak ďalej až na odvrátenú stranu skaly, odkiaľ sa odrazí späť na vrchol - všetko za zlomok sekundy. Toto sa nazýva kompresná vlna a dá sa to ilustrovať držaním uvoľnenej pružiny (napríklad Slinky), ktorá je na druhom konci pripevnená k niečomu (alebo niekomu). Ak na ňu prudko zatlačíte, aby boli cievky stlačené, kompresia sa šíri (pohybuje sa) po dĺžke pružiny a dozadu (obrázok ( PageIndex {1} )). Kompresnú vlnu si môžete predstaviť ako „tlačnú“ vlnu - hovorí sa jej a P-vlna (aj keď „P“ znamená „primárny“, pretože P-vlny prichádzajú ako prvé k seizmickým staniciam). Vo vlne P je pohyb častíc rovnobežný so smerom šírenia vlny.

Keď kladivom narazíme na skalu, vytvoríme tiež iný typ telesnej vlny, ktorá sa vyznačuje vibráciami tam a späť (na rozdiel od stlačení). Toto sa nazýva šmyková vlna (S-vlna, kde „S“ znamená „sekundárne“) a analogicky by sa stalo, čo sa stane, keď švihnete po dĺžke lana pohybom nahor a nadol. Ako je znázornené na obrázku ( PageIndex {1} ), v lane sa vytvorí vlna, ktorá bude smerovať na koniec lana a späť. V tomto prípade je pohyb častíc kolmý na smer, ktorým sa vlna pohybuje.

Kompresné vlny a strihové vlny prechádzajú veľmi rýchlo geologickými materiálmi. Ako je znázornené na obrázku ( PageIndex {2} ), typické rýchlosti vĺn P sa pohybujú medzi 0,5 km / s a ​​2,5 km / s v nespevnených sedimentoch a medzi 3,0 km / s a ​​6,5 ​​km / s v pevných horninách kôry. Zo spoločných hornín kôry sú rýchlosti najväčšie v čadiči a žule. S-vlny sú pomalšie ako P-vlny, s rýchlosťami medzi 0,1 km / s a ​​0,8 km / s v mäkkých sedimentoch a medzi 1,5 km / s a ​​3,8 km / s v pevných horninách.

Horninová plášťa je všeobecne hustejšia a silnejšia ako horská kôra a obe vlny P a S prechádzajú plášťom rýchlejšie ako cez kôru. Rýchlosti seizmických vĺn navyše súvisia s tým, ako pevne je komprimovaná hornina, a úroveň kompresie dramaticky rastie s hĺbkou. Nakoniec sú seizmické vlny ovplyvnené fázovým stavom horniny. Spomalia sa, ak dôjde k určitému stupňu topenia v hornine. Ak je materiál úplne tekutý, vlny P sa dramaticky spomalia a vlny S sa úplne zastavia.

Od konca 18. storočia sa na štúdium zemetrasenia používali presné seizmometre a systematické využívanie seizmických údajov na pochopenie vnútra Zeme sa začalo začiatkom 20. rokov. Rýchlosť zmeny seizmických vĺn s hĺbkou na Zemi (obrázok ( PageIndex {3} )) bola za posledných niekoľko desaťročí určená analýzou seizmických signálov z veľkých zemetrasení na seizmických staniciach po celom svete. Malé rozdiely v čase príchodu signálov na rôznych miestach boli interpretované tak, že ukazujú, že:

  • Rýchlosti sú väčšie v plášťovej hornine ako v kôre.
  • Rýchlosti sa všeobecne zvyšujú s tlakom, a teda s hĺbkou.
  • Rýchlosti sa spomaľujú v oblasti medzi 100 km a 250 km hĺbkou (nazýva sa to „zóna s nízkou rýchlosťou“; čo zodpovedá astenosfére).
  • Rýchlosti sa dramaticky zvyšujú v hĺbke 660 km (z dôvodu mineralogického prechodu).
  • Rýchlosti sa spomaľujú v regióne tesne nad hranicou jadra a plášťa (vrstva D alebo „zóna s veľmi nízkou rýchlosťou“).
  • S-vlny neprechádzajú cez vonkajšiu časť jadra.
  • Rýchlosti P-vlny sa dramaticky zvyšujú na hranici medzi kvapalným vonkajším jadrom a pevným vnútorným jadrom.

Jedným z prvých objavov vnútra Zeme prostredníctvom seizmológie bol začiatkom 20. rokov 20. storočia, keď chorvátsky seizmológ Andrija Mohorovičić (vyslov. Moho-ro-vi-chich) si uvedomil, že v určitých vzdialenostiach od zemetrasenia dorazili k seizmickej stanici v priebehu niekoľkých sekúnd dve samostatné sady seizmických vĺn. Usúdil, že vlny, ktoré zostupovali do plášťa, prechádzali plášťom a potom sa ohýbali nahor späť do kôry, sa dostali najskôr do seizmickej stanice, pretože hoci mali ďalej k dispozícii, cestovali rýchlejšie plášťom skaly (ako je znázornené na Obrázok ( PageIndex {4} )). Hranica medzi kôrou a plášťom je známa ako Diskontinuita Mohorovičić (alebo Moho). Jeho hĺbka je medzi 60 km a 80 km pod hlavnými pohoriami, asi 30 km až 50 km pod väčšinou kontinentálnej kôry a medzi 5 km a 10 km pod oceánskou kôrou.

Naše súčasné chápanie vzorov prenosu seizmických vĺn cez Zem je zhrnuté na obrázku ( PageIndex {5} ). Kvôli postupnému zvyšovaniu hustoty s hĺbkou sa všetky vlny lámajú smerom k materiálu s nižšou hustotou a pomalšou rýchlosťou, keď prechádzajú homogénnymi časťami Zeme, a tak majú tendenciu krivky smerom von k povrchu. Vlny sa tiež lámu na hraniciach v rámci Zeme, napríklad na Moho, na hranici jadra s plášťom (CMB) a na hranici vonkajšieho jadra / vnútorného jadra. S-vlny neprechádzajú tekutinami - sú zastavené na CMB - a na strane Zeme oproti seizmickému zdroju je tieň S-vlny. Uhlová vzdialenosť od seizmického zdroja po tieňovú zónu je 103 ° na obidve strany, takže celková uhlová vzdialenosť tieňovej zóny je 154 °. Tieto informácie môžeme použiť na odvodenie hĺbky pre CMB. P-vlny skutočne cestujú cez kvapaliny, takže sa môžu dostať cez kvapalnú časť jadra. Kvôli lomu, ktorý sa deje v CMB, sú vlny, ktoré prechádzajú jadrom, ohnuté od povrchu a vytvárajú tak na oboch stranách tieňovú zónu vlny P od 103 ° do 150 °. Tieto informácie možno použiť na zistenie rozdielov medzi vnútornou a vonkajšou časťou jadra.

Pomocou údajov z mnohých seizmometrov a stoviek zemetrasení je možné vytvoriť dvoj- alebo trojrozmerný obraz seizmických vlastností časti plášťa. Táto technika je známa ako seizmická tomografia a príklad výsledku je uvedený na obrázku ( PageIndex {6} ).

Tichomorská doska sa subdukuje pod Tongou a na obrázku ( PageIndex {6} ) sa javí ako 100 km hrubá doska studenej (modro sfarbenej) oceánskej kôry, ktorá sa tlačila dole do okolitého horúceho plášťa. Studená hornina je tuhšia ako okolitá horúca plášťová hornina, preto sa vyznačuje mierne rýchlejšími seizmickými rýchlosťami. V šíriacom sa stredisku Lau a tiež na Fidži je vulkanizmus a teplá hornina v týchto oblastiach má pomalšie seizmické rýchlosti (žltá a červená farba).

Seizmické vlny nám poskytujú štruktúru vnútornej Zeme, ale čo jej ďalšie vlastnosti? Pokiaľ ide o zloženie, existuje niekoľko dôkazov, ktoré poukazujú na jadro zložené väčšinou zo železa a niklu. Vlnové vlastnosti naznačujú, že jadro je zložené z prvku s atómovým číslom okolo 25 (železo má atómové číslo 26). Okrem železa sú všetky ostatné prvky s atómovým číslom blízkym 25 príliš zriedkavé na to, aby vytvorili jadro. Keby sa Zem formovala hromadením menších telies, ako sú meteority, očakávali by sme, že zloženie Zeme bude podobné zloženiu meteoritov. Meteority sú väčšinou železo a nikel, ale vo vyšších pomeroch ako zemská kôra. To naznačuje, že väčšina tohto ťažkého železa a niklu z meteoritov sa počas formovania planéty musela potopiť do stredu Zeme. Jadro však nie je dostatočne husté na to, aby išlo o čisté železo a nikel; ak je to tak, je to asi 10% pod predpokladanou hustotou. Preto sa vedci domnievajú, že jadro je zložené z asi 10% síry, kyslíka a vodíka. Nakoniec, ak magnetické pole Zeme pochádza z tekutého vonkajšieho jadra, musí vonkajšie jadro obsahovať železo. Pokiaľ ide o teploty, môžeme vypočítať body topenia týchto materiálov v rozsahu tlakov, ktoré by mohli zažiť na vnútornej Zemi, a potom odvodiť teploty, ktoré by umožnili týmto prvkom existovať v pevnej alebo kvapalnej forme.


* „Fyzická geológia“ od Stevena Earla použitá na základe medzinárodnej licencie CC-BY 4.0. Stiahnite si túto knihu zadarmo na adrese http://open.bccampus.ca


Pozri si video: The Mystery at the Bottom of Physics (Október 2021).