Kula Ziemska zbudowana jest z warstw o zróżnicowanej budowie skalnej i właściwościach fizycznych. Ta skomplikowana struktura, której do końca nie poznaliśmy – odgrywa istotną rolę w naszym życiu.

Spis tematów (kliknij, aby przejść do wyboru tematów)


Wnętrze Ziemi

I Budowa wnętrza Ziemi

Dokładna, precyzyjna budowa wnętrza Ziemi nie jest znana, ponieważ nie jest technicznie możliwe pokonanie olbrzymiego ciśnienia i temperatury, panującej w środku naszej planety. Wiedza człowieka o tym, co znajduje się pod powierzchnią, oparta jest na źródłach pośrednich. Jeżeliby budowę Ziemi porównać do jajka – nie udało nam się zgłębić do końca nawet jego skorupki. Badaniem wnętrza ziemi zajmuje się geologia.

W obrębie wnętrza ziemi występuje szereg procesów nazywanych endogenicznymi, czyli wywołanych energią wnętrza Ziemi i obejmujących zjawiska wewnętrzne, czyli zachodzące pod powierzchnią Ziemi. Zaliczamy do nich:

  • plutonizm
  • wulkanizm
  • trzęsienia ziemi
  • metamorfizm
  • ruchy epejrogeniczne i talasogeniczne
  • ruchy izostatyczne
  • ruchy orogeniczne

1. Metody badania wnętrza Ziemi

Jedną z podstawowych metod badawczych jest wykonywanie odwiertów, jednak przynosi to niewielkie korzyści. Wraz ze wzrostem głębokości rośnie ciśnienie, temperatura i gęstość skał, a tym samym trudność wiercenia dramatycznie wzrasta. Najgłębszy wykonany odwiert (SG-3) osiągnął głębokość 12 262 metrów. Pracę nad nim rozpoczęto w ZSRR w 1970 r. i planowano osiągnąć głębokość 15 000 metrów, co jednak nie udało się. Odwiert zabezpieczono i porzucono.

Porzucone – zabezpieczone miejsce odwiertu SG-3 na półwyspie Kolskim w Rosji

Źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/40/Сама_скважина%28заварена%29%2C_август_2012.JPG

Oprócz tego podjęto próby innych odwiertów min. na Sachalinie (najdłuższy – 12 345 m, lecz nie najgłębszy odwiert). Odwierty te nie pokonały prawdopodobnie nawet 1/3 grubości skorupy ziemskiej (0,2% całej drogi do wnętrza Ziemi). Innymi pomysłami są odwierty w dnie oceanu, gdzie skorupa jest znacznie cieńsza i odwiert o głębokości 5-8 km mógłby być wystarczający by pokonać całą skorupę. Trwają pracę międzynarodowych zespołów naukowców nad takimi odwiertami.

Prace wiertnicze dostarczają przede wszystkim dobrej jakości bezpośredniej informacji o budowie skalnej i zmieniających się wraz z głębokością warunkach fizycznych.

Najważniejszych informacji dostarczają badania sejsmiczne. Rejestruje się fale wywołane przez ruchy skorupy ziemskiej, jak i samemu emituje fale, które wracając – mierzy się. Badaniem tych fal zajmuje się sejsmologia. Na podstawie prędkości rozchodzenia się fal oraz ich zniekształcenia, można ocenić sposób budowy ośrodków, przez które fala przechodziła (ciała stałe, płynne, o mniejszej lub większej plastyczności).

Przykładowy schemat rozchodzenia się fali sejsmicznej

Źródło: http://www.planetaziemia.pan.pl/GRAF_pytanie_07/01_bud_800.jpg

Uzupełnieniem wiedzy o wnętrzu ziemi są także badania pola magnetycznego oraz badania skał wydobywających się z wnętrza Ziemi – np. zastygniętej lawy, która wylewa się z wulkanu.

2. Budowa wnętrza Ziemi

Dzięki przeprowadzonym badaniom udało nam się z dużym prawdopodobieństwem określić budowę wnętrza naszej planety.

Schemat budowy wnętrza Ziemi i budowy skorupy Ziemskiej

Źródło: Własne przekształcenie na podstawie: http://geologylearn.blogspot.com/2016/01/what-are-earth-layers-made-of.html

Część przypowierzchniowa Ziemi nosi nazwę litosfery – to sztywna, zewnętrzna powłoka skalna, obejmująca skorupę ziemską i warstwę perydotytową.

Skorupa Ziemska – to wierzchnia warstwa budowy Ziemi, sięgająca do maksymalnie 80 km w części kontynentalnej i do kilkunastu kilometrów w części oceanicznej.

Skorupa jest zbudowana z kilku warstw skalnych. Wierzchnią warstwę stanowi warstwa skał osadowych o różnej miąższości (grubsza w części kontynentalnej, bardzo cienka w części oceanicznej). Pod nią znajduje się warstwa skał granitowych (głównie w części kontynentalnej) a niżej zalega (zarówno w części kontynentalnej jak i oceanicznej) warstwa skał bazaltowych. Na granicy obu tych warstw występuje strefa nieciągłości Conrada.

Na granicy skorupy ziemskiej i warstwy perydotytowej występuje strefa nieciągłości Moho (właściwie Mohorovičicia).

Pod skorupą ziemską znajduje się płaszcz ziemski, którego wierzchnimi częściami są warstwa perydotytowa oraz zalegająca pod nią astenosfera.

Warstwa perydotytowa – dolna część litosfery i pierwsza część płaszcza ziemskiego, cechuje się inną budową skalną od zalegającej nad nią skorupy (perydotyt – magmowa skała głębinowa). Wraz z głębokością ulega ona upłynnieniu i przechodzi w Astenosferę.

Astenosfera (druga część płaszcza górnego) jest jedną z kluczowych warstw. Ze względu na swój lepki i plastyczny charakter, umożliwia ruch płyt tektonicznych, które “ślizgają” się po jej powierzchni. Na granicy astenosfery około 350 km pod ziemią – w strefie nieciągłości Golicyna temperatura wzrasta do około 700°C, a ciśnienie wynosi ponad 120 milionów hPa.

Pod astenosfera zalega właściwy płaszcz ziemski (zwany także crofesima, sima, mezosfera), który dzieli się na płaszcz górny (350-400 km pod Ziemią) oraz płaszcz dolny (700-2900 km pod ziemią). Między płaszczami znajduje się jeszcze pewnej grubości strefa przejściowa. Cały płaszcz stanowi  wraz z wierzchnimi warstwami na głębokości od kilkudziesięciu do 2900 km – 83% objętości Ziemi i 68% jej masy.

Płaszcz górny obejmuje warstwę perydotytową, astenosferę oraz właściwy płaszcz górny, zbudowany min. z krzemu, żelaza, chromu i magnezu. Ma półpłynny charakter. W płaszczu górnym zachodzi krążenie magmy zwane prądami konwekcyjnymi. U kresu warstwy przejściowej miedzy płaszczem górnym i dolnym – w strefie nieciągłości Repettiego (na głębokości 700 km) temperatura osiąga ponad 900°C.

Płaszcz dolny ma podobną budowę do płaszcza górnego (żelazo, magnez, krzem oraz nikiel), ale ma charakter ciała stałego. Na jego końcu, w strefie nieciągłości Wiecherta-Gutenberga (na głębokości 2900 km), temperatura sięga już nawet 3000°C.

Pod płaszczem znajduje się jądro Ziemi (zwane także nife, barysfera). Stanowi 16% objętości i 31% masy, co świadczy o jego dużej gęstości. Dzieli się na jądro zewnętrzne i jadro wewnętrzne. Jądro zbudowane jest głównie z żelaza i niklu.

Jądro zewnętrzne ma płynny charakter. Na granicy z jądrem wewnętrznym – w strefie nieciągłości Lehmana (na głębokości 5100 km), temperatura osiąga nawet 4500°C.

Jądro wewnętrzne jest ciałem stałym. Sięga do samego środka Ziemi – średnio 6371 km pod jej powierzchnią, gdzie temperatura może osiągać 6000-6500°C, czyli więcej niż temperatura na powierzchni Słońca. Ciśnienie osiąga niewyobrażalnie wielką wartość – 4 miliardów hektopaskali (400 gigapaskali).

Ocenia się, że prawdopodobnie dzięki procesom zachodzącym w jądrze ziemi powstaje pole magnetyczne, które chroni naszą planetę przed wiatrem słonecznym.


3. Właściwości wnętrza Ziemi

Najważniejszym skutkiem wzrostu głębokości, jest (oprócz gwałtownego wzrostu ciśnienia i wzrostu gęstości skał) wzrost temperatury określany jako stopień geotermiczny. Określa on, co ile metrów głębokości temperatura wzrośnie o 1°C. Średnio dla skorupy ziemskiej, wynosi on 33 metry, ale wartość ta jest silnie zróżnicowana. Najszybciej temperatura wzrasta na obszarach aktywności wulkanicznej. Dla Polski wartość ta wynosi 47,2 m. Dla porównania w RPA w kopalni Mponeng na głębokości 4000 m panuje temperatura “zaledwie” 60°C.

Przyjmuje się, że stopień geotermiczny należy liczyć od głębokości około 70 m i niżej, ponieważ powyżej tej wartości, na temperaturę mają wpływ czynniki zewnętrzne np. atmosfera. Wyjątkiem od tej reguły są obszary objęte wieczną zmarzliną.

Temperatura rośnie według stopnia geotermicznego do głębokości około 100 km, następnie przyrost temperatury jest wolniejszy.

Wzrost temperatury wraz z głębokością może zostać wykorzystany w postaci energii geotermalnej, zwłaszcza w krajach gdzie temperatura szybko przyrasta wraz z głębokością.