Budowa wnętrza Ziemi

Informacji o budowie wnętrza Ziemi dostarczanaliza przebiegających przez całą Ziemie fal sejsmicznych wywołanych silnymi trzęsieniami Ziemi.Na tej podstawie wyróżniono we wnętrzu Ziemi:jądro,płaszcz i skorupę ziemską-warstyróżniące się stanem skupienia i gęstością materii. Jądro-promień 3400km,największa część Ziemi,skupia najcięższe składniki,głównie metaliczne.Jądro wewnętrzne jest w stałym stanie ze względu na ogromne ciśnienie,jąro zewnętrzne w stanie płynnym.Na pograniczu jądra i płaszcza ziemskiego temp. wynosi 4500 stopni Celcjusza,stśd strumienie ciepła wędrują ku powierzchni przyczyniając się do m.in.powstawania zjawisk wulkanicznych. Płaszcz ziemski-grubość 2900km,gęstość materi jest w nim kilkakrotnie mniejsza w jądrze,temperatura i ciśnienie niższe,choć wysokie w poruwnaniu z panującym w skorupie ziemskiej.Warstwa płaszcza jest sztywna i budują ją skaly.Podobnie jak skorupę ziemską -bie tworzą litosferą czyli skalną powłokę Ziemi. Skorupa Ziemska-przykrywa cienką warstwą płaszcz ziemski od 0 do 10 km pod oceanami,śr. ok 40 km na ladach, i maksymalnie 70 km w obrebie gór.Jest ciałem stalym (z wyjatkiem ognisk magmowych) zbudowanym z mineralów tworzących skaly.Główne pierwiastki tworzące te mineraly to:tlen,krzem,glin,magnez,żelazo,potas,sód,wapń.W skorupie jest większy udzial pierwiastków lżejszych.Temperatura w obrębie skorupy wzrasta wraz z głębokością średnio o 3 stopnie na 100 metrów.

BUDOWA I WŁAŚCIWOŚCI WNĘTRZA ZIEMI

Wnętrze Ziemi badamy za pomocą:

    Odwiertów - najgłębszy znajduje się w Rosji na Półwyspie Kolskim i ma 13 km głębokości

    Badania prędkości rozchodzenia fal sejsmicznych - fale te szybciej rozchodzą się w ośrodkach o dużej gęstości a wolniej w ośrodkach o małej gęstości. Znając gęstość skał występujących na powierzchni Ziemi i prędkość rozchodzenia się fal sejsmicznych możemy wnioskować o rodzajach skał budujących wnętrze Ziemi

    Analizy skał wydostających się z wulkanu w czasie erupcji

    Analizy meteorytów - są to ciała, które powstały w tym samym czasie, co tworzyła się Ziemia. Ich analiza pozwoli wnioskować na temat budowy jądra Ziemi

Ziemia zbudowana jest z 3 części oddzielonych powierzchniami nieciągłości - jest to granica pomiędzy dwoma ośrodkami o różnej gęstości, która załamuje lub odbija fale sejsmiczne.

3 główne sfery, z których zbudowane jest wnętrze Ziemi to:

I. Skorupa ziemska

II. Mezosfera - płaszcz ziemski

III. Barysfera - jądro Ziemi

 

Skorupa ziemska - najbardziej zewnętrzna sfera. Buduje kontynenty i dno oceaniczne. Jest przykryta warstwą skał osadowych. Sięga od powierzchni Ziemi do powierzchni nieciągłości MOHO, która leży na głębokości  7-10 km pod oceanami i 30-80 km pod kontynentami.

Skorupa ziemska składa się z 2 części:

a)     warstwy granitowej, która występuje tylko w obrębie kontynentów. Tworzą ją glinokrzemiany stąd nazwa SiAl (Si- krzem, Al.-glin). Ma gęstość 2,7g/cm³.

b)     Warstwy bazaltowej - SiMa - buduje dno oceanów i występuje pod kontynentami. Tworzą ją krzemiany magnezu (SI- krzem, Mg - magnez). Ma gęstość 3,0 g/cm³

Obie warstwy oddziela powierzchnia nieciągłości Konrada

Pod skorupą ziemską występuje Mezosfera, czyli płaszcz ziemski. Tworzą go dwie warstwy: Płaszcz Górny (CrOFeSiMa) i Płaszcz Dolny (Nifesima). Zalega od powierzchni nieciągłości MOHO do powierzchni nieciągłości Wiecherta-Gutenberga, która leży na głębokości 2900 km.

a)     Płaszcz Górny zbudowany jest z pierwiastków: Cr-chrom, O-tlen, Fe-żelazo, Si-krzem, Mg-magnez, stąd nazwa CROFESIMA. Zalega od powierzchni MOHO do 1000km. Ma gęstość od 4 - 5,5 g/cm³. W jego obrębie możemy wyróżnić:

    Warstwę perydotytową - jest najbardziej zewnętrzną częścią płaszcza i bezpośrednio graniczy ze skorupą ziemską, razem z nią tworząc litosferę. Ma gęstość 3,3 g/cm³

    Astenosferę - zalega pod warstwą perydotytową do głębokości: 70-120 km pod oceanami, 350 km pod kontynentami. Ma gęstość 3,5 g/cm³. Razem z litosferą tworzy ona tektosferę. Należy do bardzo ważnych elementów budowy wnętrza Ziemi, gdyż od niej zależy wiele procesów zachodzących na jej powierzchni. Krążą w niej prądy konwekcyjne - jest to ruch materii płaszcza. Magma krąży w komórkach zamkniętych, co związane jest ze zmianami temperatury wraz z głębokością. Astenosfera ma właściwości półplastyczne. Zanurzone są w niej płyty litosfery i korzenie gór. Jest odpowiedzialna za zjawiska wulkaniczne, plutoniczne, ruchy poziome płyt, powstawanie gór, ruchy sejsmiczne (trzęsienia ziemi). Zachodzi w niej zjawisko izostazji - polega na zachowaniu równowagi płyt litosfery (jeśli w jednym miejscu dochodzi do zanurzenia płyty litosfery w plastycznej astenosferze np. na skutek obciążenia płyty lądolodem, to w innym miejscu jakaś płyta musi się wynurzyć aby równowaga była zachowana)

b)     Płaszcz dolny - tworzą go pierwiastki Ni Fe Si Mg (razem czytamy Nifesima). Zalega od 1000-2900 km. Ma gęstość 6 g/cm³

 

Barysfera - jądro Ziemi zbudowane jest z niklu i żelaza stąd nazwa NIFE. Zalega na głębokości od 2900-6371 km. Składa się z 2 części:

    Jądro zewnętrzne - zalega od 2900-5100 km. Ma cechy ciała płynnego. Temperatura, jaka tu panuje to 4500°C. Ma gęstość 16g/cm³

    Jądro wewnętrzne ma postać ciała stałego i gęstość 20g/cm³

 

Do właściwości wnętrza Ziemi możemy zaliczyć:

    Wzrost temperatury wraz z głębokością. Głębokość liczona w metrach, o jaką temperatura wzrośnie o 1°C nazywamy stopniem geotermicznym. Średnio wynosi on 33m. Na obszarach wulkanicznych jest on bardzo mały - w okolicach Neapolu wynosi ok. 1,7m. Tymczasem na Półwyspie Kolskim-165m a na Wyspach Bahama - 180m.

    Wzrost gęstości skał wraz z głębokością - od 2,7g/cm³ w warstwie granitowej do 20g/cm³ w jądrze wewnętrznym

• Wzrost ciśnienia wraz z głębokością. Średnio ciśnienie wzrasta co 3,7m o 1 atmosferę (1 atmosfera to średnie {1013 hPa} ciśnienie powietrza na poziomie morza przy temperaturze 0°C na 45° szerokości geograficznej)

TEORIA TEKTONIKI PŁYT LITOSFERY

o      Powstała w latach 60-tych XX wieku

o      Jest jedną z najważniejszych teorii dotyczących procesów zachodzących na powierzchni Ziemi

o      W dużej mierze bazuje na teorii dryftu kontynentów Wegenera.

Charakterystyka:

o      Litosfera składa się z 6 dużych i kilku mniejszych kawałków = płyt, zanurzonych w plastycznej astenosferze. Płyty te to:

źródło:http://hum.amu.edu.pl/~zbzw/glob/glob1.htm

    Pacyficzna   patrz na mapie geologia - tektonika w atlasie

    Nazca

    Kokosowa

    Antarktyczna

    Ameryki Południowej

    Ameryki Północnej

    Karaibska

    Afrykańska

    Euroazjatycka

    Indoaustralijska

    Arabska

    Filipińska

 W astenosferze krążą prądy konwekcyjne (prądy magmy - materii płaszcza ziemskiego).

Temperatura wnętrza Ziemi jest tak wysoka, że ogrzana materia płaszcza unosi się do góry = konwekcyjny prąd wstępujący. Blisko powierzchni materia ta oddaje ciepło i jako zimniejsza materia, cięższa zaczyna spływać w głąb wnętrza Ziemi - to konwekcyjny prąd zstępujący. W głębi się znowu ogrzewa itd. Prądy konwekcyjne płyną więc w tzw. komórkach zamkniętych. Z tego względu, że płyty litosfery są zanurzone w plastycznej astenosferze, a w astenosferze pływają prądy konwekcyjne więc płyty litosfery wykonują ruchy poziome (względem siebie) na tych prądach.

1) Rozsuwanie się płyt litosfery.

o      Zachodzi wówczas, gdy do powierzchni Ziemi zbliża się konwekcyjny prąd wstępujący

źródło: ("Ziemia planeta żywa")

o      Gorąca magma nadtapia litosferę (która jest przecież zbudowana ze skał, a magma to roztopione skały), co powoduje jej wybrzuszenie a w efekcie zapadnięcie - powstaje dolina ryftowa (zwana również ryftem)

o      Ryfty to doliny tektoniczne, które mogą występować w obrębie

a) den oceanicznych - np. w obrębie        Grzbietu Atlantyckiego

b) kontynentów - np. Islandia lub Ryft Wschodnioafrykański

Ryft Jordanu i Morza Martwego (zdj. satelitarne NASA)

o      Ryfty są obszarami czynnego wulkanizmu i trzęsień ziemi. To tu magma wydostaje się na powierzchnię i krzepnie - w ten sposób tworzy się nowe dno oceaniczne (np. dno Morza Czerwonego, dno Atlantyku) lub nowy ląd np. Islandia. Krzepnąca magma powoduje rozsuwanie płyt.

Wiek dna oceanicznego

o      Grzbiety oceaniczne są pocięte uskokami transformacyjnymi

o      Podsumowując: teoria tektoniki tłumaczy powstawanie grzbietów oceanicznych, uskoków transformacyjnych, dolin ryftowych, zjawisk wulkanicznych, trzęsień ziemi i przyrastania nowego dna oceanicznego w miejscach, gdzie do skorupy ziemskiej dochodzi konwekcyjny prąd wstępujący.

3) Zsuwanie się płyt litosfery

Zjawisko to występuje, gdy mamy do czynienia z konwekcyjnym prądem zstępującym. Możemy wyróżnić 3 przypadki:

a) płyta oceaniczna wsuwa się pod płytę

 kontynentalną 

Płyta oceaniczna, czyli sima (patrz - budowa wnętrza Ziemi) ma gęstość 3 g/cm³, gdy tymczasem płyta kontynentalna - sial, ma gęstość 2,7 gm/cm³ jest więc lżejsza.

Źródło: "Ziemia planeta żywa"

Schemat wsuwania się płyty Nazca pod płytę Ameryki S  (Ziemia planeta żywa)

Płyta oceaniczna jest więc wciągana pod płytę kontynentalną. Linia poślizgu, po której ten proces zachodzi, to powierzchnia Benioffa.

Powierzchnia Benioffa z hipocentrami trzęsień ziemi

Z tego względu, że obie płyty są „nierówne” dochodzi do tarcia na ich styku na skutek ruchu. Dlatego na powierzchni Benioffa występują hipocentra trzęsień ziemi.

Hipocentrum to ognisko trzęsienia ziemi - miejsce leżące na głębokości od 7 do 700 km, w którym rozpoczyna się trzęsienie ziemi i z którego rozchodzą się fale sejsmiczne.

Płyta wsuwająca się pod spód topi się w warunkach wysokiej temperatury. W ten sposób powstaje magma, która:

o      wchodzi w skład prądów konwekcyjnych

o      krąży i krzepnie w litosferze (zjawisko to nazywamy plutonizmem)

o      wypływa na powierzchnię, jako lawa wulkaniczna (zjawiska wulkaniczne)

Obszar między dwoma zbliżającymi się płytami to geosynklina. Jest to zbiornik morski o ciągle obniżającym się dnie na skutek ciężaru osadów w nim się znajdujących. Osady te, zwane osadami geosynklinalnymi, pochodzą z niszczenia obu płyt. Ich ciężar powoduje obniżanie się dna zbiornika, które coraz bardziej zanurza się w plastycznej astenosferze. Osady te osiągają miąższość dochodzącą do 25 kilometrów. Współcześnie za geosynkliny uważa się rowy oceaniczne.

Na skutek zbliżania się płyt osady w geosynklinie zostają najpierw sfałdowane, potem wypiętrzone a następnie odkłute od podłoża i obalone. W ten sposób przy kontynencie powstają  młode góry fałdowe.

Przykładem obszaru opisanego powyżej jest zachodnie wybrzeże Ameryki Południowej. (Spójrz do atlasu!!!). Płyta Nazca wsuwa się pod płytę Ameryki Południowej. Wzdłuż wybrzeża mamy Rów Atakamski (geosynklina między dwoma płytami). Granica tych dwóch płyt to obszar aktywny sejsmicznie, na którym często zdarzają się trzęsienia ziemi. Na lądzie mamy młode góry fałdowe - Andy a w ich obrębie dużo czynnych wulkanów np. Cotopaxi (Ekwador), Misti (Peru), Llullaillaco (Chile) itd.- 12 najwyższych wulkanów świata leży właśnie na zachodnim brzegu tego kontynentu.

    b) płyta oceaniczna wsuwa się pod płytę oceaniczną

Sytuacja wygląda podobnie, jak opisana powyżej. W tym przypadku jednak może się zdarzyć, że obie płyty się zanurzają. Młode góry fałdowe znajdują się jednak pod wodą a na powierzchni widoczne są tylko ich najwyższe szczyty w postaci łuków wysp. (Zwróć uwagę, że praktycznie wszystkie łańcuchy górskie mają kształt łuku. Dlatego szczyty górskie wystające ponad powierzchnię wody również mają kształt łuku wyspowego).

Sytuacja opisana powyżej występuje na wschodnim wybrzeżu Azji. Otwórz atlas!!!

( płyta pacyficzna wsuwa się pod płytę filipińską i pod płytę euroazjatycką. Na granicy płyt mamy geosynkliny np. Rów Mariański, Rów Izuogasawara. Jest to obszar częstych trzęsień ziemi - W Japonii wstrząsy zdarzają się ponad 10 000 razy w roku. Jest to obszar czynnego wulkanizmu np. wulkan Unzen czy Fudżi - jama w Japonii. Wzdłuż rowów ciągną się łuki wysp np. Archipelag Japonii, Mariany itp.)

c) płyta kontynentalna zderza się z płytą kontynentalną

Zbliżające się płyty mają podobną gęstość. Obszar pomiędzy nimi (geosynklina) zaczyna się zamykać, na skutek zbliżania się płyt. Najpierw powstają łuki wysp wulkanicznych a następnie osady geosynklinalne zostają zgniecione. Obie płyty ulegają kolizji - geosynklina przestaje istnieć a krawędzie płyt wypiętrzają się razem z młodymi górami fałdowymi. Skutkiem takiej sytuacji są trzęsienia ziemi na granicy płyt i młode góry fałdowe.

Najlepszym przykładem sytuacji opisanej powyżej jest kolizja płyty indoaustralijskiej  z płytą euroazjatycką. W efekcie powstały góry - Himalaje, które z roku na rok są coraz wyższe oraz obszar sejsmiczny - np. częste trzęsienia ziemi na północy Indii.

Podsumowując: na skutek zbliżania się dwóch płyt powstają:

o      rowy oceaniczne (geosynkliny)

o      młode góry fałdowe

o      zjawiska wulkaniczne

o      zjawiska plutoniczne

o      trzęsienia ziemi

o      łuki wysp

Jeśli chodzi o dowody potwierdzające tę teorię, to jest ich dużo. Możemy podzielić je na kilka grup:

    dowody paleoklimatyczne - rozmieszczenie tillitów (bardzo starych, zlityfikowanych = przeobrażonych glin zwałowych. Są one pozostałością po zlodowaceniach karbońskich) w Indiach, pn Afryce i Australii (kiedyś był to jeden kontynent)

    dowody paleontologiczne - skamieniałości tych samych gatunków zwierząt, które znaleziono w pd Ameryce S i pd Afryce

    podobna budowa geologiczna pd Ameryki S i pd Afryki (mapa geologia tektonika)

    rozmieszczenie stref aktywnego wulkanizmu i trzęsień ziemi (wyjątek stanowią tzw. plamy gorąca albo gorące punkty. Jest ich na świecie ok. 90 ale najsłynniejsze są Hawaje. Znajdują się na środku płyty pacyficznej. W miejscu gdzie do płyty dochodzi strumień magmy = gorący punkt, powstaje wyspa wulkaniczna. Wulkany, które na niej występują są tak długo aktywne jak obszar ten jest nad plamą gorąca ale przecież płyty się poruszają. W tym przypadku płyta pacyficzna przemieszcza się w kierunku NW. Gdy wyspa schodzi z gorącego punktu działalność wulkaniczna na niej zamiera a w poprzednim miejscu powstaje nowa wyspa itd. Wyspy, które zeszły z gorącego punktu podlegają działalności czynników zewnętrznych np. morzą i dlatego są coraz bardziej zerodowane dlatego po jakimś czasie znikają pod powierzchnią wody. Jest to tzw. teoria gorącego punktu)

 

    wiek dna oceanicznego - najstarsze skały na kontynentach mają ok. 4 mld lat a dno oceanu Atlantyckiego przy wybrzeżu tylko 200 mln - to znaczy, że 300 mln lat temu jeszcze go nie było

    podobieństwa w zarysie linii brzegowej Ameryki S i Afryki

    dowody paleomagnetyczne - okazało się, że skały po obu stronach Grzbietu Atlantyckiego są symetrycznie namagnesowane ( bieguny magnetyczne Ziemi co jakiś okres czasu ulegają przemieszczeniom. Czasami obracają się o 180 stopni. Ferromagnetyki zawarte w skałach układają się zgodnie z liniami sił pola magnetycznego. Badając to namagnesowanie stwierdzono, że skały po obu stronach grzbietu powstały w tych samych okresach gdyż ich namagnesowanie jest identyczne)

                                     

Gradient geotermiczny - opisuje natężenie przepływu ciepła z wnętrza Ziemi na jej powierzchnię. Wartość współczynnika określa przyrost temperatury na jednostkę przyrostu głębokości wewnątrz Ziemi, poniżej strefy termicznie neutralnej. Jest on odwrotnością stopnia geotermicznego.

Zjawisko występowania przepływu ciepła z wnętrza Ziemi wykorzystuje się w budowie ciepłowni geotermicznych, jako naturalne źródło energii cieplnej.

Stopień geotermiczny - opisuje natężenie przepływu ciepła z wnętrza Ziemi na jej powierzchnię. Wartość współczynnik określa co ile metrów w głąb ziemi temperatura przyrasta o 1°C. Oznacza to, iż na głębokości kilometra można spodziewać sie temperatury około 37°C, na 2km około 67°C, zaś na głębokości nieco ponad 3km - 100°C.

Wartość stopnia geotermicznego zależy od głębokości zalegania ciał magmowych, przewodnictwa cieplnego skał, tektoniki, ukształtowania powierzchni ziemi, lokalizacji procesów wulkanicznych, promieniotwórczych i geochemicznych, a także od pewnych zjawisk hydrogeologicznych. Jako średnią wartość stopnia geotermicznego w skali globalnej przyjmuje się wielkość 33 m/1°C. Jego wartość zmienia się nie tylko w poziomie, ale również w przekroju pionowym.

W Polsce stopień geotermiczny wykazuje duże zróżnicowanie, zależne od budowy geologicznej, a w szczególności od struktur halokinetycznych, odznaczających się wysoką przewodnością cieplną. W przedziale głębokości 200-2500 m zmienia się on od 10 do 110 m/1°C. W północno-wschodniej części kraju wartość stopnia rośnie do około 100 m/1°C, co jest związane ze stosunkowo płytkim występowaniem krystalicznego podłoża. Najniższe wartości, rzędu 20 m/1°C, obserwowane są w Sudetach (Cieplice Śląskie, Lądek-Zdrój).

Na świecie skrajne wartości zanotowano w Budapeszcie: 15 m i w Dregfontein w Republice Południowej Afryki: 144 m (Stenz, 1954).

Zjawisko wystepowania przepływu ciepła z wnętrza Ziemi wykorzystuje się w budowie ciepłowni geotermicznych, jako naturalne źródło energii cieplnej.

---