Wykład 2 - Budowa Ziemi

Fale sejsmiczne powstają wskutek zaburzania równowagi w ciele sprężystym (skorupa ziemska i głębsze partie Ziemi). Tworzą się dwa rodzaje fal: podłużne i poprzeczne.

Prędkość fal sejsmicznych zależy m. in. od gęstości ośrodka, w którym się rozchodzą. Im większa gęstość skały, tym większa prędkość fal sejsmicznych.

Nieciągłość - granica pomiędzy ośrodkami skalnymi różniącymi się prędkością rozchodzenia się fal sejsmicznych.

Powierzchnie, na których skokowo zmienia się prędkość fal sejsmicznych określamy powierzchniami nieciągłości.

• nieciągłość (powierzchnia) Conrada - w obrębie skorupy kontynentalnej, między warstwą granitową a bazaltową.

• nieciągłość (powierzchnia) Mohorovićica (powierzchnia Moho) - w obrębie litosfery między skorupą ziemską a płaszczem Ziemi.

• Nieciągłość (powierzchnia) Golicyna - pomiędzy dolnym i górnym płaszczem Ziemi.

• Nieciągłość (powierzchnia) Gutenberga - pomiędzy płaszczem Ziemi a jądrem Ziemi.

• Nieciągłość Lehmana - pomiędzy jądrem zewnętrznym a wewnętrznym.

Struktura Ziemi

Ziemia składa się z trzech głównych warstw wyróżnionych na podstawie składu: skorupy ziemskiej, płaszcza Ziemi, jądra Ziemi.

Skorupa ziemska. Najbardziej zewnętrzna powłoka kuli ziemskiej otoczona na powierzchni przez atmosferę i hydrosferę, w głębi graniczy z płaszczem Ziemi wzdłuż nieciągłości Mohorovicicia. Niejednorodna, stosunkowo chłodna i sztywna.

Skorupa ziemska kontynentów i obszarów oceanicznych różni się grubością i rodzajem budujących ją skał. W obrębie skorupy ziemskiej wyodrębniono skorupy: kontynentalną i oceaniczną.

Skorupa ziemska ma budowę trójwarstwową; poczynając od góry wyróżnia się:

• warstwę osadową od 0 do kilku km zbudowana ze skał osadowych,

• warstwę granitową od kilku do kilkuset km zbudowana ze skał magmowych i metamorficznych,

• warstwę bazaltową - zbudowaną ze skał odpowiadających chemicznie skała bazaltowym.

Płaszcz Ziemi - jedna z warstw ziemskiej, leżąca pomiędzy skorupą ziemską a barysferą (jądrem Ziemi). Górną granicę płaszcza stanowi powierzchnia Mohorovicicia, dolną powierzchnia Gutenberga. Najgrubsza sfera Ziemi. Płaszcz Ziemi zbudowany jest ze skał będących przeważnie w stałym stanie skupienia. W płaszczu Ziemi wyróżnia się: warstwę perydotytową, astenosferę, mezosferę.

Litosfera najbardziej zewnętrzna powłoka kuli ziemskiej obejmująca skorupę i najwyższą część płaszcza (warstwy perydotytowej). Względnie chłodna. Zbudowana z różnorodnych skał występujących w stałym stanie skupienia, z wyjątkiem lokalnych ognisk magmowych i utworów wulkanicznych (źródło magmy). Jest sztywna, o dużej wytrzymałości, pękającą pod wpływem nacisku (nie ulega odkształceniom plastycznym).

Astenosfera, warstwa w górnej części płaszcza Ziemi, zalega pod litosferą, oddzielona od niej strefą niskich prędkości, o zwiększonej plastyczności podatności na deformacje; umożliwia poziome ruchy płyt litosferycznych.

Astenosferą jest uważana za główny poziom tworzenia się ognisk magmy i źródło procesów magmowych.

Mezosfera lub dolny płaszcz Ziemi. Warstwa występująca pomiędzy astenosferą, a jądrem Ziemi (barysferą) odznaczająca się wzrostem gęstości skał. Ze względu na duże ciśnienia materia jest tam w stanie stałym.

Jądro Ziemi, barysfera, najbardziej wewnętrzna strefa Ziemi. Jądro Ziemi ma promień 3470 km, jest stopem metalicznym żelaza i niklu o dużej gęstości (9,6-18,5 g/cm³). W obrębie jądra Ziemi wyróżniono: jądro zewnętrzne oraz jądro wewnętrzne. Oddzielone są nieciągłością Lehmana.

Skład chemiczny Ziemi

Geochemia to nauka, która zajmuje się składem chemicznym poszczególnych warstw Ziemi i procesami w nich zachodzącymi zarówno dzisiaj, jak i w przeszłości.

O składzie chemicznym Ziemi wnioskujemy na podstawie analiz chemicznych znajdowanych skał, badań geofizycznych, a także badań składu meteorytów.

Charakterystyczną cechą składu chemicznego Ziemi jest nierównomierny udział poszczególnych pierwiastków chemicznych w budowie jej warstw . Udział głównych pierwiastków chemicznych (w %) w budowie Ziemi jako całości przedstawia się następująco: żelazo - 44,85; tlen - 24,39; krzem - 12,15; magnez - 9,43; nikiel 4,0.

Inny jest skład chemiczny (w %) skorupy ziemskiej: tlen - 44,6, krzem 27,72, glin - 8,13, żelazo - 5,0, wapń - 3,63, sód - 2,83, potas - 2,59, magnez - 2,09.

Izostazja

Przyczyny ruchów skorupy ziemskiej tkwią w procesach zachodzących w dolnej części skorupy ziemskiej i w płaszczu Ziemi. Pionowe ruchy skorupy ziemskiej są wywołane brakiem równowagi między skorupą ziemską a płaszczem Ziemi. Stan równowagi skorupy ziemskiej określamy izostazją. Gdy równowaga zostanie zaburzona, następuje izostatyczny ruch skorupy do góry lub do dołu. Przyczyną zaburzeń równowagi skorupy i wprawiania jej w ruch izostatyczny są: powstawanie i zanik lądolodów, zmiany ilości wód w zbiornikach morskich, sedymentacja, erozja, zwiększanie obciążenia skorupy w rezultacie ruchów górotwórczych.

Poziom wyrównania izostatycznego to pewna głębokość na której różnice gęstości skał zanikają, a ciśnienie hydrostatyczne jest jednakowe.

Grawitacja

Różnice między teoretycznymi a praktycznymi wartościami przyspieszenia ziemskiego w dowolnym punkcie powierzchni Ziemi nazywamy anomaliami grawimetrycznymi, ich istnienie stwierdzono już w XVII w.

Mapy anomalii przyspieszenia ziemskiego są wykorzystywane w poszukiwaniach niektórych złóż surowców mineralnych (np. rud żelaza, w brunatnego, soli kamiennej).

Magnetyzm ziemski

Anomalie magnetyczne - rejony w których natężenie ziemskie pola magnetycznego ma wartości różniące się od średnich. W rejonach występowania dodatnich anomalii magnetycznych często występują złoża rud żelaza, chromu lub niklu.

Dla odtworzenia historii powierzchni Ziemi bardzo duże znaczenie ma wyznaczanie linii sił ziemskiego pola magnetycznego w przeszłości geologicznej. Jest to możliwe dzięki zachowanemu w skałach namagnesowaniu szczątkowemu.

Stan termiczny Ziemi

Do powierzchni Ziemi dociera ciepło ze Słońca i z wnętrza Ziemi (jądra).

Wraz z głębokością temperatura skał wzrasta. Szybkość tego wzrostu opisuje się stopniem geotermicznym lub gradientem geotermicznym.

Stopień geotermiczny - przyrost głębokości wewnątrz Ziemi, na której następuje wzrost temperatury o 1^oC. Wartość stopnia geotermicznego jest uzależniona od budowy i historii geologicznej odpowiedniego fragmentu skorupy ziemskiej; wartość zmienia się w poziomie i w przekroju pionowym.

Gradient geotermiczny określa wzrost temperatury w ºC przypadający na jednostkę przyrostu głębokości. Jego wielkość zależy od: rodzaju skał i ich przewodnictwa cieplnego, typu budowy geologicznej, warunków wodnych, występowania wulkanizmu i zjawisk powulkanicznych, występowania wgłębnych ognisk magmowych.

Strumień cieplny jest to ilość ciepła (miliwaty) wypromieniowywanego przez 1 m² powierzchni Ziemi w ciągu 1 s.

Różnicę między rzeczywistym ciepłem dostarczanym z wnętrza Ziemi a wartością średnią nazywamy anomalią termiczną. Dodatnie anomalie termiczne związane są z grzbietami śródoceanicznymi i obszarami wulkanicznymi, anomalie ujemne ze strefami łuków wysp i rowów oceanicznych.

1

---