Ogólna budowa Ziemi

Powierzchnie nieciągłości

Powierzchnie nieciągłości to cienkie strefy w głębi Ziemi będące granicami ośrodków o różnych własnościach fizycznych (najczęściej sejsmologicznych). Wyróżniamy 3 podstawowe powierzchnie nieciągłości:•Moho (= Mohorovičića) – na głębokości od kilku do kilkudziesięciu km, pomiędzy skorupą a płaszczem,•Wiecherta-Gutenberga – na głębokości ok. 2900 km, między płaszczem a jądrem,•Inge Lehman – na głębokości ok. 5100 km, między jądrem zewnętrznym a wewnętrznym.

SkorupaSkorupa to cienka (stanowiąca przeciętnie zaledwie 0,5% promienia Ziemi), najbardziej zewnętrzna warstwa, zbudowana ze stosunkowo lekkich skał. Wyróżniamy 2 podstawowe typy skorupy – kontynentalną i oceaniczną – różniące się grubością i składem.

Skorupa kontynentalna• Skorupa kontynentalna jest gruba, ma zwykle 35–40

km, a pod wysokimi młodymi górami (jak Himalaje, Kaukaz, Alpy) grubość ta wzrasta do 70, a nawet do 90 km, zaś w wyniku rozciągania lub podgrzewania może spadać do 15–25 km. Średnia gęstość skorupy kontynentalnej wynosi 2,8 g/cm3. Zbudowana jest zwykle (od góry) z warstwy skał osadowych o grubości kilku, czasem kilkunastu km, podścielonej warstwą granitową (od kilka do 30 km), pod która leży warstwa bazaltowa (od kilku do 40 km). Skorupa kontynentalna jest stara, często ma bardzo złożona budowę geologiczną, zaburzoną w trakcie licznych dawnych faz górotwórczych.

PRZEKRÓJ

Skorupa oceaniczna• Skorupa oceaniczna jest wielokrotnie cieńsza, może

mieć zaledwie 6–12 km. Ma zwykle 3-warstwową budowę, a jej gęstość wzrasta ku dołowi i wynosi od 2,5 do 2,9–3,3 g/cm3. Zbudowana jest zwykle ze skał zbliżonych do bazaltów (bazalty, diabazy, gabra), często przykrytych pokrywą skał osadowych różnej grubości (do kilku km). Jest zwykle stosunkowo młoda – nie znamy starszej skorupy oceanicznej niż jurajska (135–200 mln. lat). Współcześnie obserwujemy jej powstawanie na grzbietach śródoceanicznych.

Lokalnie występuje skorupa typu przejściowego między kontynentalną a oceaniczną (subkontynentalna, suboceaniczna).

PłaszczPłaszcz leży pod skorupą i jest dużo grubszy – sięga do

głębokości 2900 km. Nie jest jednorodny, w jego obrębie stwierdza się nieciągłości sejsmiczne, dzięki którym zazwyczaj wyróżnia się płaszcz górny (sięgający do głębokości 200–400 km) oraz płaszcz dolny (od 660–900 do 2900 km), niekiedy rozdzielone strefą przejściową (od 200–400 do 660–900 km). Skały budujące płaszcz są przeważnie w stałym stanie skupienia (przewodzą zarówno podłużne, jak i poprzeczne fale sejsmiczne).

Płaszcz Ziemi pełni bardzo ważną funkcję: zachodzące w nim procesy konwekcji cieplnej – chociaż bardzo powolne – są motorem napędzającym ruch płyt litosfery, w następstwie czego możliwa jest cyrkulacja pierwiastków i związków chemicznych pomiędzy powierzchnią a wnętrzem Ziemi.

• Płaszcz górny charakteryzuje się szybkim przyrostem prędkości fal sejsmicznych, ma gęstość 3,2–3,4 g/cm3 i jest najprawdopodobniej zbudowany z perydotytów (ultrazasadowa skała głębinowa; zawiera mniej niż 45 proc. krzemionki).

• Płaszcz dolny jest wydzielany na podstawie wyraźnego spadku tempa wzrostu prędkości fal sejsmicznych wraz z głębokością. W jego dolnych częściach gęstość osiąga ok. 6,0 g/cm3, a temperatura 3000°C.

JĄDRO ZIEMI (Barysfera)

• Najbardziej wewnętrzna z geosfer, kula o promieniu ok. 3500 km, metaliczna (głównie Fe). Barysfera stanowi ok.16% objętości Ziemi i aż 31% jej masy. Na podstawie badań sejsmologicznych w obrębie jądra wyróżniono trzy strefy: jądro zewnętrzne, jądro wewnętrzne i położoną między nimi strefę przejściową

• Jądro zewnętrzne nie wykazuje sprężystości (tłumi sejsmiczne fale poprzeczne), z czego wynika, że znajduje się ono stanie ciekłym lub gazowym. Uwzględniając jego wysoką gęstość, należy sądzić, że zbudowane jest z roztopionych metali.

• Dopiero poniżej 5100km od powierzchni Ziemi materia jądra posiada cech ciała sprężystego. Przyjmuje się, że w skład obydwu części barysfery wchodzą głównie metaliczne żelazo i nikiel z domieszkami tlenu, siarki, krzemu i potasu. Barysfera stanowi ok.16% objętości Ziemi i aż 31% jej masy.

Kształt Ziemi

• Już tysiące lat temu ludzie próbowali badać, jaki kształt ma Ziemia i jakie są jej rozmiary. Na początku wierzono, że nasza planeta jest płaska, jednak stopniowo zaczęto dostarczać dowodów na jej kulistość.

Już w starożytności znano argumenty przemawiające za kulistością Ziemi. Widziano od dawna widnokrąg o zaokrąglonym kształcie. Żeglarze obserwowali, jak na spokojnym morzu wyłaniają się zza horyzontu statki: najpierw widoczne były żagle, a dopiero później korpus żaglowca. Za kulistym kształtem Ziemi przemawiał też kształt cienia Ziemi, rzucany na Księżyc w trakcie zaćmienia Księżyca.

Dowody kulistości Ziemi:

• Zdjęcia Ziemi wykonane na orbicie okołoziemskiej.

• Powiększanie się widnokręgu wraz ze wzrostem wysokości.

• Dowodem są podróże wokół Ziemi. • Gwiazda polarna widoczna jest pod innym

kątem w zależności od szerokości geograficznej.

• Wyłanianie się statku zza linii widnokręgu. • Pomiar Eratostenesa

Pomiar Eratostenesa

W III wieku p.n.e. grecki filozof, ale właściwie geograf, astronom i matematyk, Eratostenes, jako pierwszy zmierzył wielkość Ziemi, a dokładność jego pomiaru do dzisiaj zaskakuje. Eratostenes, który był kierownikiem słynnej Biblioteki Aleksandryjskiej zauważył, że w pewne dni w Asuanie (dawna Syene) najgłębsze studnie są oświetlane przez Słońce do samego dna, a wysokie słupy nie dają cienia. Oznacza to, że promienie słoneczne padają tam pionowo. W tym samym czasie w jego rodzinnej Aleksandrii słupy rzucały cień o pewnej długości.

Eratostenes obliczył, że Słońce było odchylone od zenitu o 7 stopni 12', czyli 1/50 kąta pełnego (360 stopni). Aby zmierzyć obwód Ziemi, Eratostenes potrzebował jeszcze odległości między Aleksandrią a Asuanem. Oszacował ją na podstawie liczby dni, jakich potrzebowały karawany do pokonania tej odległości. Znając średnie tempo karawan, ustalił odległość na 5000 stadionów (nie ma pewności, ile liczył starożytny stadion, ale przyjmuje się, że około 160 m).

Jeżeli pomnożymy znaną odległość 5000 stadionów razy 50, to otrzymamy obwód Ziemi liczący 250 000 stadionów. Znając obwód, łatwo możemy obliczyć również promień. Z obliczeń Eratostenesa wynikało, że promień Ziemi ma, przeliczając na dzisiejsze miary, 6400-6500 km. Eratostenes skorzystał ze wzoru:

Stosując inne kryterium podziału (podatność skał na odkształcenia), w obrębie skorupy i górnego płaszcza wyróżniamy dwie inne,

niezależne warstwy: litosferę i astenosferę.

Litosfera

• Litosfera (gr.: strefa kamienna) jest najbardziej zewnętrzną, względnie sztywną i kruchą powłoką złożoną ze skał zbliżonych do znanych nam z powierzchni Ziemi, nawet częściowo niestopionych. Obejmuje ona skorupę oraz zewnętrzną część górnego płaszcza (tzw. warstwę perydotytową). Ulega deformacjom tektonicznym (uskoki, fałdy). Zależnie od typu skorupy rozróżniamy litosferę kontynentalną (grubszą i sztywniejszą) i oceaniczną (cieńszą, bardziej plastyczną).

Astenosfera

• Astenosfera (gr.: słaba strefa) odznacza się znacznie większą plastycznością, która zapewne jest wynikiem częściowego stopienia skał w jej obrębie (powstawanie magmy). Charakteryzuje się na ogół spadkiem prędkości fal sejsmicznych. Jej górna granica występuje na różnych głębokościach (od 10 do ponad 100 km) i jest obecnie wiązana zwykle z przebiegiem izotermy 1300°C. Głębiej, czyli w wyższych temperaturach, w perydotytach pojawia się faza ciekła, dzięki czemu astenosfera osiąga plastyczność. Dolna jej granica przebiega średnio na głębokości 350 km.