ترکیب و ساختمان داخلی زمین

زمین از نظر فیزیکی و شیمیایی به سه منطقه ی اصلی هواکره (اتمسفر)، آب کره (هیدروسفر) و بخش جامد زمین تشکیل شده است.

هواکره بخش گازی اطراف زمین است که عمدتاً از نیتروژن و اکسیژن و به مقدار جزئی از مواد جامدی همچون گرد و غبار، بلورهای ریز یخ، … و همچنین مواد مایعی مانند قطرک های آب در ابرها، تشکیل شده است.

آب کره بخش مایع زمین است که قسمت های خارجی زمین را می پوشاند. اقیانوس ها، دریاچه ها، رودها و آب های زیرزمینی بخش های مختلف آب کره اند. در آب کره مواد جامد و گاز محلول نیز یافت می شود.

بخش جامد زمین ترکیبی از سنگ های سخت و مختلف می باشد که توسط فرآیندهای درونی و بیرونی زمین بوجود آمده اند. این قسمت به سه بخش کلی پوسته، گوشته و هسته تقسیم می شود. اکسیژن و سیلیسیم فراوان ترین عناصر موجود در پوسته و گوشته اند و اغلب مواد موجود در این قسمت ها ترکیباتی هستند که این دو عنصر را نیز در خود دارند. هسته ترکیبی از نیکل و آهن می باشد. چگالی زیاد هسته، وجود میدان مغناطیسی زمین و بررسی نمونه های شهاب سنگ همه دلایلی بر تأیید آهنی _ نیکلی بودن جنس هسته است. قسمت های خارجی هسته ی زمین حالت مایع دارد درحالی که قسمت های داخلی آن بصورت جامد می باشد.

زمین پویا و دائماً در حال تغییر است. انرژی جنبشی، مشتمل بر گرما و الکتریسیته، انرژی تابشی شامل نور و پرتو ایکس، انرژی هسته ای و انرژی شیمیایی، از انرژی هایی هستند که در ایجاد فرآیندهای فعال در زمین مؤثرند.

انرژی گرمایی یکی از مهم ترین علل فرآیندهای زمین شناسی است در مقابل انرژی الکتریکی گرچه از پر مصرف ترین انرژی ها در جوامع بشری است. ولی نقش کمتری در طبیعت دارد.

برای انجام فرآیندهای زمین شناسی انرژی بسیار زیادی انرژی مورد نیاز است. تمام فرآیندهای درونی از جمله زمین لرزه، ذوب مواد و ایجاد ماگما و گدازه، لغزش ورقه های سنگ کره همه و همه محتاج انرژی اند. از طرفی تمام فرآیندهای سطحی زمین مثل جریان های اقیانوسی ، فرسایش سطح زمین توسط باد، آب و یخچال ها نیز محتاج انرژی است.

مهمترین منشأ انرژی گرمایی درون زمین فعالیت های رادیواکتیو است. عناصر رادیو اکتیوی مثل اورانیم، پتاسیم و روبیدیم که در پوسته ی زمین و گوشته ی فوقانی تمرکز یافته اند، انرژی لازم برای فرآیندهایی مثل فوران آتشفشان ها را تأمین می کنند. مقدار گرمایی که بر اثر فرآیندهای درونی به سطح زمین می رسد، در نقاط مختلف آن متفاوت است. در داخل زمین حرارت به هر سه صورت مختلف هدایت، همرفت و تابش منتقل می شود. اما با کندی بسیار صورت می گیرد. بعنوان مثال اگر انتقال گرما تنها به صورت هدایت صورت بگیرد، ۱۰۱۲ طول خواهد کشید که حرارت از مرکز زمین به سطح آن برسد. زمین عملاً یک هادی ضعیف است.

پس به جرأت می توان گفت « حرارتی که در داخل زمین جابجا می شود عامل اصلی تقریباً تمام وقایع زمین شناختی در طول تاریخ زمین است ».

در ادامه بطور خلاصه به بررسی ساختار داخلی زمین و همچنین ترکیب آن در قسمت های مختلف می پردازیم.

همانطور که اشاره شد، زمین از سه قسمت اصلی «پوسته»، «گوشته» و «هسته» تشکیل یافته که هرکدام خود به بخش هایی تقسیم می شوند.

 

ساختار زمین

پوسته (Crust)

سطحی ترین قسمت زمین پوسته است و ضخامت آن در نقاط مختلف متفاوت بوده و عمقی بین ۵ الی ۶۵ کیلومتر را در بر می گیرد. بیشترین ضخامت پوسته در زیر قاره ها و رشته کوه های قاره ایست که با ضخامتی حدود ۲۰ تا ۷۰ کیلومتر به پوسته ی قاره ای و کمترین ضخامت آن در زیر اقیانوس هاست و ضخامتی بین ۵ تا ۸ کیلومتر که به پوسته ی اقیانوسی معروف اند.

پوسته در زیر قاره ها از دولایه تشکیل شده است. لایه ی فوقانی با چگالی ۷/۲ تا ۸۵/۲ گرم بر سانتی متر مربع و لایه ی زیرین با چگالی ۸۵/۲ الی ۱/۳ گرم بر سانتی متر مکعب. لایه ی فوقانی از سنگ های آذرین، دگرگونی و رسوبی ساخته شده و ترکیب متوسط آن مشابه ترکیب گرانیت است و همین مواداند که ذوب می شوند و ماگمای گرانیتی را می سازند. لایه ی فوقانی پوسته غنی از سیلیس(SiO2) و آلومین(Al2O3) است و از این رو به آن لایه سیالی یا به طور خلاصه « سیال » گفته می شود. لایه ی تحتانی ترکیبی مشابه بازالت دارد و غنی از سیلیسیم، آهن و منیزیم است. به این لایه « سیما » گفته می شود. مرز بین سیال و سیما در پوسته ی قاره ای، که در آن سرعت امواج لرزه ای به نحو بارزی تغییر می کند، « انفصال کنراد (Conrad discontinuity) » نامیده می شود،  البته این مرز در همه جا وجود ندارد و نمی توان از آن به عنوان مرز جدا کننده در سراسر زمین در نظر گرفت.

امواج لرزه ای P در پوسته ی قاره ای با سرعت کمتری نسبت به پوسته اقیانوسی عبور می کنند. این سرعت که حدود ۶ کیلومتر بر ثانیه است همانند سرعت عبور این امواج از سنگ های گرانیت و گنیس می باشد. به این دلیل اغلب پوسته ی قاره ای « گرانیتی» نامیده می شود. اما با این وجود بیشتر سنگ های بررسی شده در زمین گرانیت نیستند.

پوسته ی اقیانوسی تنها از یک لایه و از سنگ های مشابه سیما درست شده است. در اقیانوس ها موادی وجود ندارد که در صورت ذوب ماگمای گرانیتی را بسازد. بررسی های انجام شده نشان می دهد که قسمت های بالایی پوسته ی زیر اقیانوس ها از جنس بازالت و قسمت های زیرین آن از جنس گابرو می باشد.

سرعت امواج لرزه ای P حدود ۷ کیلومتر بر ثانیه است که معادل سرعت عبور آن ها از سنگ های نوع بازالت و گابرو می باشد.

در پایین پوسته ی زمین لایه ای به نام گوشته(Mantel) وجود دارد که توسط ناپیوستگی « موهوروویچ» (Mohorovicic) از آن جدا می شود. این مرز بطور خلاصه موهو نامیده می شود.

 

گوشته(Mantle)

همانطور که اشاره شد، بخش زیرین پوسته که از مرز موهو شروع می شود گوشته نام دارد. زمین شناسان معتقدند که گوشته همانند پوسته از جنس سنگ های جامد می باشد، چراکه هردو موج P و S از آن عبور می کنند.

گوشته عظیم ترین لایه ی داخلی زمین می باشد که تاعمق ۲۸۹۰ کیلومتری توسعه یافته است. ذوب بخشی گوشته در زیر میان رشته های اقیانوسی پوسته ی اقیانوسی و ذوب بخشی گوشته در مناطق فرورانشی پوسته ی قاره ای را تولید می کند. فشار در انتهای پایینی گوشته حدود ۱۴۰ GPa می باشد و حجمی معادل حدود %۸۴ زمین را تشکیل می دهد. گوشته عمدتاً جامد است ولی در طول زمان زمین شناسی رفتاری همچون یک مایع ویسکوز از خود نشان می دهد.

گوشته خود به دوقسمت گوشته ی بالایی و گوشته ی پایینی تقسیم می شوند. گوشته ی بالایی و پایینی توسط زون انتقالی از هم جدا شده اند. گوشته ی فوقانی از مرز موهو در عمقی حدود ۷ تا ۳۵ کیلومتر تا عمقی حدود ۴۱۰ کیلومتر ضخامت دارد. زون انتقالی تقریباً از عمق ۴۱۰ کیلومتر تا ۶۴۰ کیلومتری کشیده شده است. گوشته ی پایینی تقریباً از عمق ۶۶۰ تا ۲۸۹۱ کیلومتری کشیده شده است.

دامنه ی چگالی گوشته از ۵/۵  g/cm3 در نزدیکی هسته تا ۳/۳ g/cm3 در نزدیکی پوسته تغییر می کند. قطعاتی از سنگ های اولترامافیک که در برخی بازالت ها یافت می شوند ترکیب گوشته ی فوقانی را مشخص می کند. گوشته ی فوقانی غالباً از پریدوتیت است.

بررسی های کانی شناسی نشان می دهد که گوشته ی فوقانی از سنگ های اولترامافیک ساخته شده و دارای کانی های سیلیکاتی با چگالی زیاد مثل اولیوین، پیروکسن و گروناست. این کانی ها ممکن است بر اثر فشارهای موجود در گوشته به چندشکلی های متراکمتری تبدیل شده باشند. گوشته ترکیبی از سنگ های سیلیکاته ای است که غنی از آهن و منیزیم است.

در گوشته درجه ی گرمایی از حدود ۲۰۰ درجه سانتی گراد در مرز با پوسته تا ۴۰۰ درجه ی سانتی گراد در مرز با هسته می باشد. درجه ی زمین گرمایی در لایه های مرزی گوشته در بالا و پایین به سرعت افزایش می یابد ولی در طول گوشته به تدریج افزایش می یابد.

بخشی از زمین را که شامل پوسته و قسمت های سخت و جامد گوشته ی فوقانی است را « سنگ کره » (lithosphere) گویند. در پایین این قسمت بخش دیگری به نام « سست کره » قرار گرفته است. مواد تشکیل دهنده ی سست کره ظاهراً بر اثر دمای زیادشان نزدیک به نقطه ی ذوب اند و از این رو تا حدی حالت سخت و سنگی خود را از دست داده و نرم شده اند و به همین دلیل در این قسمت سرعت امواج لرزه ای بطور غیر عادی کم می شود بنابراین آن را لایه ی کم سرعت نیز می نامند.

بررسی ها نشان می دهد که کلیه ی فرآیندهای درونی که می توان آثاری از آن ها را در سطح زمین مشاهده کرد ناشی از طبیعت و رفتار خاص سنگ کره و سست کره است.

 

 

 

هسته (Core)

داخلی ترین قسمت زمین هسته است که از عمق ۲۹۰۰کیلومتری تا مرکز زمین صخامت دارد و طبق بررسی های انجام شده از فلزی مرکب از آهن و نیکل، تشکیل یافته است نه از سنگ های سیلیکاته.

چگالی میانگین زمین ۵۱۵/۵ g/cm3 است. از آنجایی که چگالی مواد سطحی تنها حدود ۳ g/cm3 است، بنابر این باید نتیجه بگیریم که چگالترین مواد در هسته ی زمین وجود دارند.

هسته خود به دو قسمت هسته ی بیرونی و هسته ی درونی تقسیم می شود.

هسته ی خارجی زمین یک لایه ی سیال با حدود ۲۴۰۰ کیلومتر ضخامت و اکثراً ترکیبی از آهن و نیکل می باشد. دمای محاسبه شده برای هسته ی خارجی در حدود ۲۷۳۰ – ۴۲۳۰ درجه ی سانتی گراد در خارجی ترین قسمت و ۳۷۳۰-۷۷۳۰ درجه ی سانتی گراد در نزدیکی هسته ی داخلی می باشد. این قسمت ترکیبی مشابه هسته ی داخلی دارد اما بدلیل اینکه فشار لازم برای جامد بودن را ندارد بصورت سیال می باشد.

هسته ی داخلی، درواقع یک کره با شعاعی حدود ۱۲۳۰ کیلومتر که حدود ۷۰% شعاع ماه است، می باشد. این قسمت ترکیبی از آلیاژ نیکل – آهن است و دمای سطح هسته ی درونی حدوداً ۵۴۰۰ درجه سانتی گراد که حدود دمای سطح خورشید است می باشد.

داده های امواج لرزه ای شواهد اولیه ی وجود هسته زمین را ارائه می دهند. امواج لرزه ای حاصل از یک زمین لرزه ی بزرگ به نواحی خاصی در طرفین زمین نمی رسند. در فاصله ی زاویه ای صفر تا ۱۰۳ درجه از مرکز زمین لرزه، امواج P قبل از امواج S به لرزه نگار می رسند. بین ۱۰۳ تا ۱۴۳ درجه هیچ یک از امواج P و S به طور مستقیم از کانون زمین لرزه دریافت نمی شود و ظاهراً به نظر می رسد که این بخش بدلیل وجود سپری در داخل زمین، که جلوی امواج را می گیرد، ایجاد شده است. از ۱۴۳ درجه به بعد امواج P بار دیگر ظاهر می شوند، بدون آنکه اثری از امواج S باشد. منطقه ی بین ۱۰۳ و ۱۴۳ درجه را منطقه ی سایه ی موج P و فاصله بین ۱۰۳ و ۱۸۰ درجه را منطقه ی موج S می نامند.

از زاویه ی صفر تا ۱۰۳ درجه اواج P و S مسیری منحنی شکل را طی می کنند که معرف شکست های مداوم از سنگ های دارای چگالی متفاوت است. در عمق حدود ۲۹۰۰ کیلومتری مرزی بین بخش فوقانی با چگالی کمتر (گوشته) و بخش چگالتر زیرین(هسته) قابل پیش بینی است. امواج P که به هسته وارد می شوند به دلیل اختلاف چگالی آن به شدت شکسته می شوند. مسیر امواج P از این به بعد توسط چگالی هسته تعیین می شود و به این ترتیب هیچ موج P که از هسته گذشته باشد در فاصله ی بین ۱۰۳ تا ۱۴۳ درجه از مرکز زلزله دیده نمی شود.

باتوجه به آنچه گفته شد شکست امواج در مرز گوشته و هسته عامل ایجاد منطقه ی سایه امواج P است.

امواج S نیز باید همانند امواج P عمل نمایند، در صورتی که همانگونه که گفتیم این امواج در آن سوی ۱۰۳ درجه بطور مستقیم دریافت نمی شوند و این چیزی نیست که بتوان آن را علت سرعت کمتر این امواج دانست. تنها توجیه مناسب در این مورد آن است که هسته ی خارجی مایع باشد. چون امواج S نمی توانند از مایعات بگذرند. لذا از هسته نمی گذرند. بررسی های دقیقی که روی امواج P صورت گرفته نشان داده است که تنها هسته ی خارجی مایع است و هسته ی داخلی حالت جامد دارد.

 

عمق (کیلومتر) لایه
۰–۶۰ سنگ کره (تغییر محلی بین ۵-۲۰۰ کیلومتر)
۰–۳۵ … پوسته ( با تغییری بین ۵-۷۰ کیلومتر)
۳۵–۶۰ … بخش بالایی گوشته
۳۵–۲,۸۹۰ گوشته
۲۱۰-۲۷۰ … بخش بالایی گوشته
۶۶۰–۲,۸۹۰ … بخش پایینی گوشته
۲,۸۹۰–۵,۱۵۰ هسته ی خارجی
۵,۱۵۰–۶,۳۶۰ هسته ی داخلی

 

 


منابع:

زمین شناسی فیزیکی – انتشارات پیام نور

زمین شناسی عمومی – انتشارات دانشگاه تهران

دانشنامه ویکی پدیا

 

 

 

 

 

 

 

 

 

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

این فیلد را پر کنید
این فیلد را پر کنید
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.

فهرست