Home Geologia Struktura Ziemi

Struktura Ziemi

Struktura Ziemi to fascynujący i złożony układ warstw tworzących wnętrze naszej planety. Zrozumienie tej struktury ma kluczowe znaczenie dla geologów i naukowców, ponieważ zapewnia wgląd w skład, zachowanie i procesy Ziemi, które kształtują naszą planetę. Wiedza ta jest również niezbędna w różnych dziedzinach, w tym w geologii, sejsmologii i tektonika płyt, ponieważ pomaga wyjaśnić zjawiska naturalne, takie jak trzęsienia ziemi, wulkanyoraz powstawanie kontynentów i basenów oceanicznych.

Struktura Ziemi

Wnętrze Ziemi: skorupa, płaszcz i rdzeń

Wnętrze Ziemi można podzielić na trzy główne warstwy: skorupę, płaszcz i jądro. Warstwy te mają różne właściwości i skład, które odgrywają znaczącą rolę w kształtowaniu geologii i zachowania naszej planety.

  1. Skorupa:
    • Skorupa ziemska jest najbardziej zewnętrzną warstwą, z którą mamy bezpośredni kontakt. Ma różną grubość, przy czym skorupa oceaniczna jest cieńsza (około 4-7 mil lub 6-11 kilometrów), a skorupa kontynentalna jest grubsza (średnio około 19 mil lub 30 kilometrów).
    • Skorupa składa się głównie z litej skały, przy czym w regionach kontynentalnych i oceanicznych dominują różne rodzaje skał. Skorupa kontynentalna składa się głównie z granitu skały, podczas gdy skorupa oceaniczna składa się głównie ze skał bazaltowych.
    • Skorupa ziemska to miejsce, w którym znajdujemy skorupę ziemską formy terenutakie jak góry, doliny i równiny, a także dno oceanu.
  2. Płaszcz:
    • Płaszcz znajduje się pod skorupą ziemską i rozciąga się na głębokość około 1,800 kilometrów. Jest to najgrubsza warstwa Ziemi.
    • Płaszcz składa się z litej skały, głównie krzemianu minerały. Chociaż jest solidny, płaszcz zachowuje się jak bardzo lepki lub plastyczny materiał w geologicznych skalach czasu. Ta właściwość pozwala na powolny przepływ płaszcza, co prowadzi do ruchu płyt tektonicznych i związanych z tym ruchów zjawiska geologiczne jak trzęsienia ziemi i wulkany.
    • Ciepło wytwarzane we wnętrzu Ziemi i rozpad pierwiastków radioaktywnych przyczyniają się do wysokich temperatur wewnątrz płaszcza.
  3. rdzeń:
    • Jądro Ziemi dzieli się na dwie części: jądro zewnętrzne i jądro wewnętrzne.
    • Zewnętrzny rdzeń:
      • Zewnętrzne jądro znajduje się pod płaszczem i zaczyna się na głębokości około 1,800 kilometrów i sięga do około 2,900 kilometrów pod powierzchnią.
      • Składa się głównie ze stopionego żelazo i nikiel. Wysokie temperatury i ciśnienia w zewnętrznym rdzeniu utrzymują te materiały w stanie ciekłym.
      • Ruch roztopionego żelaza w jądrze zewnętrznym jest odpowiedzialny za wytwarzanie ziemskiego pola magnetycznego w procesie geodynamo.
    • Rdzeń wewnętrzny:
      • Jądro wewnętrzne znajduje się w samym środku Ziemi, zaczynając od głębokości około 3,500 kilometrów.
      • Składa się głównie ze stałego żelaza i niklu. Pomimo niezwykle wysokich temperatur na tej głębokości, jądro wewnętrzne pozostaje stałe dzięki ogromnemu ciśnieniu.
      • Stała natura jądra wewnętrznego jest ważna dla zrozumienia wewnętrznej dynamiki Ziemi, w tym sposobu fale sejsmiczne przejść przez to.

Struktura Ziemi i interakcje między tymi warstwami są odpowiedzialne za różne zjawiska geologiczne, w tym trzęsienia ziemi, erupcje wulkanów i ruch płyt tektonicznych. Znajomość budowy wnętrza Ziemi jest kluczowa dla zrozumienia i przewidywania tych naturalnych zdarzeń, a także dla poznania historii i geologii planety.

Co powinieneś wiedzieć o wnętrzu Ziemi?

  • Nie jest możliwe poznanie wnętrza Ziemi poprzez bezpośrednie obserwacje ze względu na ogromne rozmiary i zmienny charakter jej wnętrza.
  • Dotarcie człowieka do środka Ziemi jest prawie niemożliwe (promień Ziemi wynosi 6,370 km).
  • Dzięki operacjom wydobywczym i wiertniczym byliśmy w stanie bezpośrednio obserwować wnętrze Ziemi jedynie do głębokości kilku kilometrów.
  • Gwałtowny wzrost temperatury pod powierzchnią Ziemi jest w głównej mierze odpowiedzialny za ograniczenie bezpośrednich obserwacji wewnątrz Ziemi.
  • Mimo to, dzięki pewnym bezpośrednim i pośrednim źródłom, naukowcy mają pewne pojęcie o tym, jak wygląda wnętrze Ziemi.

Źródła informacji o wnętrzu Ziemi

Źródła bezpośrednie:

  1. Skały z terenu górnictwa
  2. Erupcje wulkaniczne

Źródła pośrednie

  1. Analizując szybkość zmian temperatury i ciśnienia od powierzchni do wnętrza.
  2. Meteory, ponieważ należą do tego samego rodzaju materiałów, z których zbudowana jest ziemia.
  3. Grawitacja, która jest większa w pobliżu biegunów i mniejsza na równiku.
  4. Anomalia grawitacyjna, czyli zmiana wartości grawitacji w zależności od masy materiału, dostarcza nam informacji o materiałach we wnętrzu Ziemi.
  5. Źródła magnetyczne.
  6. Fale sejsmiczne: strefy cienia fal ciała (fale pierwotne i wtórne) dostarczają nam informacji o stanie materiałów we wnętrzu.

Budowa wnętrza Ziemi

Prędkości fal sejsmicznych. 6 km/s. Skorupa kontynentalna. Skorupa. Litosfera. Skorupa oceaniczna. 7 km/s. 8 km/s. Górny płaszcz. Astenosfera. 7.8 km/s. Górny płaszcz. Płaszcz. Mezosfera. 13 km/s. Płaszcz. Zewnętrzny rdzeń. 8 km/s. Zewnętrzny rdzeń. Rdzeń. Rdzeń wewnętrzny. 11 km/s. Rdzeń wewnętrzny. Kompozycyjny. Mechaniczny.

Struktura wnętrza Ziemi zasadniczo dzieli się na trzy warstwy – skorupa, płaszcz i rdzeń.

Skorupa

  • Jest to najbardziej zewnętrzna, stała część Ziemi, zwykle o grubości około 8-40 km.
  • Ma charakter kruchy.
  • Prawie 1% objętości Ziemi i 0.5% masy Ziemi składa się ze skorupy ziemskiej.
  • Grubość skorupy pod obszarami oceanicznymi i kontynentalnymi jest różna. Skorupa oceaniczna jest cieńsza (około 5 km) w porównaniu ze skorupą kontynentalną (około 30 km).
  • Głównymi elementami skorupy są krzemionka (Si) i aluminium (Al), dlatego często określa się ją jako SIAL (Czasami SIAL jest używany w odniesieniu do litosfery, która jest obszarem obejmującym również skorupę i najwyższy płaszcz stały).
  • Średnia gęstość materiałów skorupy wynosi 3 g/cm3.
  • Brak ciągłości pomiędzy hydrosfera i skorupa jest określany jako Nieciągłość Conrada.
Nieciągłości CONRADA i MOHO
Nieciągłości CONRADA i MOHO
 

Płaszcz

  • Część wnętrza poza skorupą nazywana jest płaszczem.
  • Brak ciągłości pomiędzy skorupa i płaszcz nazywa się Nieciągłość Mohorowicza lub nieciągłość Moho.
  • Płaszcz ma grubość około 2900 km.
  • Prawie 84% objętości Ziemi i 67% jej masy zajmuje płaszcz.
  • Głównymi elementami płaszcza są krzem i magnez, dlatego jest on również określany jako SIMA.
  • Gęstość warstwy jest większa niż skorupy i waha się w granicach 3.3 – 5.4 g/cm3.
  • Najwyższa stała część płaszcza i cała skorupa stanowią Litosfera.
  • Połączenia astenosfera (w odległości od 80 do 200 km) to bardzo lepki, słaby mechanicznie i plastyczny, odkształcający się obszar górnego płaszcza, który leży tuż pod litosferą.
  • Głównym źródłem magmy jest astenosfera i warstwa, po której poruszają się płyty litosfery/kontynentalne (tektonika płyt).
  • Brak ciągłości pomiędzy płaszcz górny i płaszcz dolny jest znany jako Nieciągłość powtórzeń.
  • Część płaszcza znajdująca się tuż pod litosferą i astenosferą, ale nad jądrem, nazywana jest Mezosfera.

rdzeń

  • Jest to najbardziej wewnętrzna warstwa otaczająca centrum Ziemi.
  • Połączenia rdzeń jest oddzielony od płaszcza nieciągłością Guttenberga.
  • Składa się głównie z żelaza (Fe) i niklu (Ni), dlatego nazywany jest również tzw NIFE.
  • Jądro stanowi prawie 15% objętości Ziemi i 32.5% masy Ziemi.
  • Jądro jest najgęstszą warstwą Ziemi, a jego gęstość waha się w granicach 9.5-14.5 g/cm3.
  • Rdzeń składa się z dwóch podwarstw: rdzenia wewnętrznego i rdzenia zewnętrznego.
  • Rdzeń wewnętrzny jest w stanie stałym, a rdzeń zewnętrzny jest w stanie ciekłym (lub półpłynnym).
  • Nieciągłość pomiędzy górnym i dolnym rdzeniem nazywana jest tzw Nieciągłość Lehmanna.
  • Barysfera jest czasami używany w odniesieniu do jądra ziemi, a czasem do całego wnętrza.

Skład Ziemi

Główne pierwiastki i minerały w składzie Ziemi:

  1. Tlen (O): Tlen jest najobficiej występującym pierwiastkiem w składzie Ziemi, stanowiącym około 46.6% masy skorupy ziemskiej. Jest kluczowym składnikiem minerałów i związków, takich jak krzemiany i tlenki.
  2. Krzem (Si): Krzem jest drugim najpowszechniejszym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, stanowiącym około 27.7% jej składu. Jest kluczowym składnikiem różnych minerałów krzemianowych, które są głównymi elementami budulcowymi skorupy ziemskiej.
  3. Aluminium (Glin): Aluminium stanowi około 8.1% skorupy ziemskiej. Często występuje w minerałach takich jak skaleń, boksyti różne krzemiany.
  4. Żelazo (Fe): Żelazo to kolejny istotny pierwiastek w składzie Ziemi, stanowiący około 5% skorupy ziemskiej. Występuje w różnych minerałach, m.in krwawień i magnetyt.
  5. Wapń (Ca): Wapń stanowi około 3.6% skorupy ziemskiej i powszechnie występuje w minerałach takich jak kalcyt i gips.
  6. Sód (Na) i potas (K): Sód i potas łącznie stanowią około 2.8% skorupy ziemskiej. Pierwiastki te zwykle znajdują się w minerałach, takich jak skaleń.
  7. Magnez (Mg): Magnez stanowi około 2.1% skorupy ziemskiej i występuje w minerałach takich jak oliwin i serpentynowy.
  8. Tytan (Ti): Tytan stanowi około 0.57% skorupy ziemskiej i występuje w minerałach takich jak ilmenit i rutyl.
  9. Wodór (H): Chociaż wodór nie jest głównym składnikiem skorupy ziemskiej, jest istotnym elementem w ogólnym składzie Ziemi, głównie w postaci wody (H2O).
  10. Inne elementy: Różne inne elementy, m.in siarka, węgiel, fosfor i wiele pierwiastków śladowych występują w mniejszych ilościach w składzie Ziemi.

Rozmieszczenie pierwiastków w warstwach Ziemi:

  1. Skorupa: Skorupa ziemska składa się głównie z minerałów krzemianowych, m.in kwarc, skaleń, małyi różne rodzaje skał. Krzem i tlen to pierwiastki występujące w skorupie najczęściej, tworzące szkielet tych minerałów.
  2. Płaszcz: Płaszcz składa się głównie z minerałów krzemianowych, z dominującymi pierwiastkami: żelazem i magnezem. Oliwin, pirokseny i granat to minerały powszechnie występujące w płaszczu.
  3. Rdzeń zewnętrzny: Zewnętrzny rdzeń składa się głównie z ciekłego żelaza i niklu. Warstwa ta odpowiada za wytwarzanie ziemskiego pola magnetycznego, w którym dominującym pierwiastkiem jest żelazo.
  4. Rdzeń wewnętrzny: Wewnętrzny rdzeń składa się z litego żelaza i niklu. Pomimo ekstremalnie wysokich temperatur, intensywne ciśnienie utrzymuje te elementy w stanie stałym.

Rozmieszczenie pierwiastków w warstwach Ziemi jest wynikiem różnicowania i oddzielania materiałów we wczesnej historii Ziemi. Warstwowa struktura Ziemi jest konsekwencją procesów fizycznych i chemicznych zachodzących na przestrzeni miliardów lat, w tym akrecji planet, różnicowania i aktywności geologicznej.

Temperatura, ciśnienie i gęstość wnętrza Ziemi

Temperatura

  • W kopalniach i studniach głębinowych obserwuje się wzrost temperatury wraz ze wzrostem głębokości.
  • Dowody te, wraz z roztopioną lawą wytrysniętą z wnętrza Ziemi, potwierdzają, że temperatura wzrasta w kierunku środka Ziemi.
  • Różne obserwacje pokazują, że tempo wzrostu temperatury nie jest równomierne od powierzchni do środka Ziemi. W niektórych miejscach jest szybciej, w innych wolniej.
  • Na początku tempo wzrostu temperatury wynosi średnio 1°C na każde 32 m głębokości.
  • Podczas gdy na górnych 100 km temperatura rośnie w tempie 12°C na km, a na kolejnych 300 km wynosi 20°C na km. Jednak schodząc głębiej, wskaźnik ten spada do zaledwie 10°C na km.
  • Zakłada się zatem, że tempo wzrostu temperatury pod powierzchnią maleje w kierunku centrum (nie mylić szybkości wzrostu temperatury ze wzrostem temperatury. Temperatura zawsze rośnie od powierzchni Ziemi w kierunku środka).
  • Szacuje się, że temperatura w centrum mieści się w przedziale od 3000 do 5000°C i może być znacznie wyższa ze względu na reakcje chemiczne zachodzące w warunkach wysokiego ciśnienia.
  • Nawet w tak wysokiej temperaturze materiały w środku Ziemi pozostają w stanie stałym ze względu na duże ciśnienie wywierane przez znajdujące się nad nimi materiały.

Nacisk

  • Podobnie jak temperatura ciśnienie również rośnie od powierzchni w kierunku środka na Ziemi.
  • Dzieje się tak z powodu ogromnego ciężaru materiałów leżących na wierzchu, takich jak skały.
  • Szacuje się, że w głębszych partiach ciśnienie jest niezwykle wysokie i będzie prawie 3 do 4 milionów razy wyższe niż ciśnienie atmosfery na poziomie morza.
  • W wysokiej temperaturze materiały znajdujące się pod spodem topią się w kierunku środkowej części ziemi, ale pod wpływem dużego ciśnienia te stopione materiały uzyskują właściwości ciała stałego i prawdopodobnie są w stanie plastycznym.

Gęstość

  • Ze względu na wzrost ciśnienia i obecność cięższych materiałów, takich jak nikiel i żelazo, w kierunku środka, gęstość warstw ziemi również rośnie w kierunku środka.
  • Średnia gęstość warstw rośnie od skorupy do jądra i w samym środku wynosi prawie 14.5 g/cm3.

Pole magnetyczne Ziemi

Ziemskie pole magnetyczne jest kluczową i złożoną cechą otaczającą naszą planetę. Odgrywa znaczącą rolę w naszym codziennym życiu i spełnia kilka ważnych funkcji. Oto przegląd pola magnetycznego Ziemi:

1. Wytwarzanie ziemskiego pola magnetycznego:

  • Ziemskie pole magnetyczne powstaje głównie w wyniku ruchu stopionego żelaza i niklu w zewnętrznym jądrze planety. Proces ten nazywany jest geodynamem.
  • Geodynamo napędzane jest ciepłem wytwarzanym w wyniku rozpadu izotopów promieniotwórczych we wnętrzu Ziemi i chłodzenia jądra.

2. Polaryzacja magnetyczna:

  • Ziemskie pole magnetyczne ma północny i południowy biegun magnetyczny, podobnie jak magnes sztabkowy. Jednakże te bieguny magnetyczne nie pokrywają się z geograficznymi biegunami północnym i południowym.
  • Położenia i orientacje biegunów magnetycznych Ziemi mogą zmieniać się w czasie geologicznym, a te odwrócenia biegunowości są rejestrowane w skałach jako „paski magnetyczne”.

3. Składniki pola magnetycznego:

  • Ziemskie pole magnetyczne charakteryzuje się siłą, nachyleniem i deklinacją.
  • Siła magnetyczna: Reprezentuje intensywność pola magnetycznego w określonym miejscu na powierzchni Ziemi.
  • Nachylenie: Odnosi się do kąta, pod jakim linie pola magnetycznego przecinają powierzchnię Ziemi, wahającego się od niemal pionowego na biegunach magnetycznych do poziomego na równiku.
  • Deklinacja: Jest to kąt pomiędzy północą rzeczywistą (północ geograficzną) a północą magnetyczną.

4. Funkcja i znaczenie pola magnetycznego:

  • Ziemskie pole magnetyczne ma kilka ważnych funkcji i korzyści:
    • Służy jako tarcza ochronna, odbijająca szkodliwe naładowane cząstki ze Słońca, takie jak wiatr słoneczny i promienie kosmiczne. Tarcza ta znana jest jako magnetosfera i pomaga chronić atmosferę i życie na Ziemi.
    • Umożliwia nawigację i orientację zwierzętom wędrownym, w tym ptakom i żółwiom morskim, które wykorzystują pole magnetyczne jako kompas.
    • Kompasy wykorzystują ziemskie pole magnetyczne do nawigacji i orientacji.
    • Pole magnetyczne wykorzystuje się w różnych badaniach naukowych i geologicznych, w tym w paleomagnetyzmie (badaniach starożytnych pól magnetycznych zarejestrowanych w skałach), aby zrozumieć historię Ziemi i ruch płyt tektonicznych.
    • Pole magnetyczne jest niezbędne dla nowoczesnych technologii, w tym rezonansu magnetycznego (MRI) w medycynie i różnych zastosowań w badaniach geofizycznych.

5. Zmiany pola magnetycznego Ziemi:

  • Pole magnetyczne Ziemi nie jest stałe i może ulegać zmianom w czasie, w tym zmianom sekularnym (zmiany stopniowe) i odwróceniom geomagnetycznym (odwrócenie polaryzacji magnetycznej).
  • Naukowcy monitorują te zmiany, a ostatnie obserwacje wykazały, że magnetyczny biegun północny przesuwa się w szybszym tempie niż w przeszłości.

Zrozumienie ziemskiego pola magnetycznego jest niezbędne z różnych powodów naukowych, technologicznych i środowiskowych. Jest integralną częścią geologii planety i odgrywa istotną rolę w utrzymaniu warunków niezbędnych do życia na Ziemi.

Referencje

Jijo Sudarsan ,Wnętrze Ziemi: skorupa, płaszcz i rdzeń (2018),https://www.clearias.com/interior-of-the-earth/