ساختار زمين

 

بشر از دير باز به فكر مطالعه درباره زمين و ساختمان دروني آن بوده است از آنجا كه مطالعه مستقيم اعماق زمين غير ممكن است بيش تر مطالعات درباره زمين به روش غير مستقيم است.

عميق ترين چاهي كه جهت مطالعه مستقيم حفر شده است در شوروي سابق حدود 13 كيلومتر است در صورتي كه شعاع كره زمين در حدود 6400 كيلومتر است

ساختار زمين

مطالعه بر روي زمين نشان مي دهد كه كره زمين ساختاري لايه اي دارد. يعني مركز آن از كره اي به شعاع 1216كيلومتر تشكيل شده است كه دانشمندان جنس آنرا از آهن و نيكل و مقدار ناچيزي عناصر ديگر مي دانند. روي اين كره فلزي را لايه اي به ضخامت 2270 كيلومتر كه به حالت مذاب است قرار گرفته كه تقريباً به همان جنس گوي مركزي است. روي اين لايه مذاب لايه اي به ضخامت 2870 كيلومتر از جنس سنگ قرار دارد كه خود اين لايه در قسمت هاي مختلف حالت هاي مختلفي دارد مثلاً در حدود 150 تا 300 كيلومتري از روي آن لايه اي خميري شكل قرار دارد كه در تغيير حركت قطعات بالايي كره زمين بسار اهميت دارد. آخرين لايه زمين كه جنس آن سنگ است و ضخامت آن در زير اقيانوس ها حدود 8 تا 12 كيلومتر و در زير قاره ها حدود 20 تا 60 كيلومتر است.

 

ساختمان زمين

با تمام تلاش‌هايي كه تاكنون صورت گرفته است، سفر انسان يا وسايل و ابزار آن به قسمت‌هاي دروني زمين با توجه به مشكلات فراوان از جمله فشار و دماي بسيار زياد، ميسر نگرديده است و عميق‌ترين چاهي كه براي مطالعه قسمت‌هاي دروني زمين حفر شده است كمتر از 13 كيلومتر عمق دارد و اين عمق با توجه به شعاع زمين كه حدود 6370 كيلومتر است، چندان قابل توجه نيست ولي دانشمندان دست از مطالعه و تحقيق در اين زمينه برنداشته و سعي كرده‌اند به كمك روش‌ها و شواهد مستقيم و غير مستقيم و حتي با مقايسه خصوصيات زمين و ديگر اجرام آسماني به پيشرفت علم مطالعه درون زمين كمك نمايند. در اين فصل، با ويژگي‌هاي مختلف، لايه‌هاي كره زمين به طور خلاصه آشنا مي‌شويد.

 

 

فراواني نسبي عناصر غير فرار

فراواني نسبي عناصر غير فرار در خورشيد و شهاب سنگ‌هاي اوليه خيلي شبيه به هم است. (فراواني‌ها بر حسب يك ميليون اتم سيلسيم.)

 

 

جدول تركيب پوسته زمين (درصد وزني) اكسيدها  پوسته قاره اي پوسته اقيانوسي SiO2 2/59 0/48 Al2O3 4/15 2/15 FeO 5/7 7/10 MgO 3/4 7/7 CaO 0/6 2/12 K2O 6/2 6/0 Na2O 8/2 6/2 TiO2 0/2 2/2

 

جدول – تركيب ميانگين تقريبي كل زمين و مقايسه آن با پوسته (درصد وزني) عناصر كل زمين پوسته آهن(Fe) 3/33 0/5 اكسيژن (O) 8/29 6/46 سيلسيم (Si) 6/15 7/27 منيزيم(MG) 9/13 1/2 نيكل(Ni) 0/2 01/1 كلسيم(Ca) 8/1 6/3 آلومينيم(Al) 5/1 1/8 سديم(Na) 2/0 8/2

 

تغييرات سرعت امواج لرزه‌ي نسبت به عمق

تغييرات سرعت امواج لرزه‌ي نسبت به عمق، تغييرات ناگهاني در مرز پوسته- گوشته، در بخش‌هاي فوقاني گوشته و در مرز گوشته – هسته روي مي‌دهد.

 

يك توضيح احتمالي براي منطقه كم سرعت

يك توضيح احتمالي براي منطقه كم سرعت، وقتي منحني شروع ذوب سنگ‌هاي گوشته، منحني زمين گرمايي را قطع مي‌كند مقدار كمي ماده مذاب توليد مي‌شود. اين مقدار كم ماده مذاب باعث تغيير خواص پلاستيك سنگ‌ها و تشكيل لايه كم سرعت مي‌شود.

 

مناطق سايه

مناطق سايه براي امواج PوS كه ناشي از هسته مايع خارجي زمين است. به انحناي مسير امواج بر اثر انكسار در گوشته و هسته توجه كنيد.

 

تغييرات فشار

تغييرات فشار به عنوان تابعي از عمق زمين

 

 

منحني تغييرات دما

منحني تغييرات دما نسبت به عمق در كره زمين

 

 

جدول تركيب پوسته زمين (درصد وزني)
اكسيدها	پوسته قاره اي	پوسته اقيانوسي
SiO2	2/59	0/48
Al2O3	4/15	2/15
FeO	5/7	7/10
MgO	3/4	7/7
CaO	0/6	2/12
K2O	6/2	6/0
Na2O	8/2	6/2
TiO2	0/2	2/2

ميانبارها چگونه به شناسايي پوسته و بخش‌هاي بالايي گوشته كمك مي‌كنند؟ نمونه‌هايي از بخش‌هاي عميق تر پوسته و بخش‌هاي بالايي گوشته در زير قاره‌ها، به وسيله فعاليت‌هاي آتشفشاني به سطح زمين مي‌رسند. ماگماهاي در حال صعود كه بر اثر ذوب بخشي در گوشته ايجاد مي‌شوند، ممكن است با خود قطعات هنوز ذوب نشده گوشته يا قطعاتي از پوسته را به بلال حمل كنند. اين قطعات سنگي كه اصطلاحا" «ميانبار» خوانده مي‌شود، شواهد باارزشي از تركيب اعماق پوسته و گوشته فوقاني فراهم مي‌كنند. در هر حال اين قطعات نمي توانند از اعماقي پايين تر از ناحيه‌ي خاستگاه ماگمايي كه حاوي آنهاست، بالا آمده باشند. عميق ترين خاستگاه ماگماها، كه گواه خوبي بر عمق تشكيل آنها وجود دارد، سنگ‌هاي الترابازيك (خيلي بازيك) حاوي الماس موسوم به كيمبرليت است. اين سنگ‌ها از اعماق تقريبا" 200 كيلومتري زمين منشاء مي‌گيرند و به صورت تنوره‌هاي آتشفشاني در قاره‌ها ياقت مي‌شوند.

 

افيوليت‌ها چگونه به شناسايي پوسته و بخش‌هاي بالايي گوشته كمك مي‌كنند؟ افيوليت‌ها مجموعه درهمي از رسوبات دريايي و سنگ‌هاي بازيك و التزابازيك اند كه در قاره‌ها يافت مي‌شوند و غالبا" آنها را باقي مانده سنگ كره اقيانوسي مي‌دانند كه بر اثر برخوردهاي ورقه‌ي فرا رانده شده و در قاره‌ها جاي گرفته اند. البته افيوليت‌ها، به عنوان نمونه‌هايي از گوشته فوقاني، معمولا" كيفيت مناسبي ندارند زيرا سنگ‌هاي الترابازيك در سطح زمين خيلي آسان در معرض هوازدگي قرار مي‌گيرند.

تركيب و ساختمان پوسته

بر اساس مطالعه لرزه شناسي مي‌توان ضخامت و تركيب احتمالي پوسته را در هر نقطه تعيين كرد. پوسته در زير اقيانوس‌ها نسبتا" نازك است. ضخامت متوسط پوسته اقيانوسي حدود 10 كيلومتر است. خصوصيات الاستيك پوسته اقيانوسي مثل خصوصيات بازالت و گابرو است. اما پوسته قاره‌ي چه از نظر ضخامت و چه از نظر تركيب با پوسته اقيانوسي بسيار متفاوت است. ضخامت پوسته قاره‌ي بين تقريبا" 20 تا 60 كيلومتر تغيير مي‌كند و در زير رشته كوه‌هاي اصلي بيشتر است. مطالعات گراني سنجي نيز اين مسئله را تأييد مي‌كند. سرعت امواج لرزه‌ي در پوسته قاره‌ي نشان دهنده خواص الاستيك شبيه به سنگ‌هايي مثل گرانيت و ديوريت است. در بعضي مناطق درست در بالاي موهو سرعت‌هاي نزديك به پوسته اقيانوسي مشاهده مي‌شود. اين نتايج با آنچه كه درباره تركيب زمين از راه‌هاي ديگر مثل شواهد زمين شناسي و حفاري‌هاي عميق به دست آمده است تطبيق مي‌كند.

 

رههاي مطالعه غير مستقيم زمين:

 آتشفشانها ? چشمه هاي آب گرم ? امواج زلزله ? سنگهايي كه از ساير نقاط منظومه شمسي به زمين رسيده اند.

لايه هاي زمين:

   - هسته

   - گوشته

   - پوسته

 

الف:هسته: داغ ترين قسمت زمين كه از دولايه تشكيل شده است لايه داخلي حالت جامد لايه خارجي حالت مايع است.

هسته زمين بيش تر از عناصر آهن و نيكل ساخته شده است.

خاصيت مغناطيسي زمين به خاطر همين دو عنصر در هسته مي باشد.

چگونه معلوم شده است كه قسمت بيروني هسته مايع است؟

امواج لرزه‌ي زلزله‌هاي بزرگ قادرند فواصل زيادي را در كره زمين طي كنند. الگوي انتشار و حذف امواج لرزه‌ي سبب شناسايي يك منطقه مهم ديگر در درون زمين شده است. امواج S و P به شدت تحت تأثير مرزي در عمق 2900 كيلومتري قرار مي‌گيرند. در اين عمق سرعت موج P كاهش شديد نشان مي‌دهد و موج S حذف مي‌شود. مرز بين گوشته و هسته در اين عمق قرار دارد.
امواج P يا امواج فشاري مي‌توانند از درون جامدات و مايعات عبور كنند. امواج صوتي نيز كه از نوع فشاري اند، مي‌توانند از هوا، آب و جامدات عبور كنند. امواج P مي‌توانند از سنگ‌ها، ماگما و ديگر سيالات بگذرند، گرچه سرعت آنها در محيط‌هاي مختلف تغيير مي‌كند. اما امواج S يا امواج برشي نمي توانند از سيالات عبور كنند. زيرا عمل اين موج تغيير شكل (نه تغيير حجم) اجسام است. سيالات تغيير حجم مي‌دهند ولي تغيير شكل نمي دهند. تغيير شكل مستلزم شكستن و تغيير پيوندهاست، به طوري كه مولكول‌ها نسبت به هم بلغزند و اين كار در سيالات امكان پذير نيست.
وقتي زمين لرزه بزرگي روي مي‌دهد، در فاصله بيش از 103 درجه از مركز سطحي زلزله، امواج S مستقيما" قابل دريافت نيستند. به عبار ت ديگر يك «منطقه سايه» براي موج S از حدود 103 درجه به بعد در آن سوي زمين ايجاد مي‌شود (نمودار 1). بنابراين بايد گفت كه يك توده سيال در درون زمين راه عبور امواج S را مي‌بندد. اين توده سيال هسته خارجي مايع زمين است. اندازه هسته خارجي با توجه به وستعت منطقه سايه معلوم شده است. هسته خارجي همچنين يك منطقه سايه حلقه مانند براي موج P نيز ايجاد مي‌كند.اين منطقه سايه در نواري حدود 103 تا 142 درجه نسبت به مركز سطحي زلزله گسترده است. منطقه سايه موج P ناشي از شكست امواج Pدر مرز گوشته- هسته است.

 

 

نمودار1- منطقه سايه ي امواج P و S

نمودار 1- مناطق سايه براي امواج PوS كه ناشي از هسته مايع خارجي زمين است. به انحناي مسير امواج بر اثر انكسار در گوشته و هسته توجه كنيد.
چنانكه گفتيم امواج لرزه‌ي مي‌توانند در مرزهاي بين لايه‌هاي با خصوصيات لرزه‌ي متفاوت منعكس شوند. به اين تركيب است كه وجود هسته داخلي مشخص شده است. بخشي از امواج P از مرز بين هسته داخلي و خارجي منعكس مي‌شود و از آنجا كه سرعت‌ها در گوشته و هسته خارجي معلوم است، با استفاده از زمان‌هاي سير امواج P منعكس شده از هسته داخلي مي‌توان عمق هسته داخلي را برآورد نمود.

 

 

ب:گوشته: در اطراف هسته قراردارد كه از دو قسمت

نرم كره(خميري شكل) و سنگ كره(قسمت سنگي)

مواد سازنده گوشته: سيلسيم ? اكسيژن- آهن منيزيم-كلسيم

 

 

 

تركيب و ساختمان گوشته

خصوصيات گوشته زمين تا اندازه‌ي مبهم است. سرعت امواج P در پوسته بين 6تا 7 كيلومتر بر ثانيه تغيير مي‌كند ولي در زير مرز موهو به بيش از 8 كيلومتر بر ثانيه مي‌رسد. تجربيات آزمايشگاهي نشان مي‌دهد كه در سنگ‌هاي غني از كاني‌هاي اليوين، پيروكسين و گرونا مثل پريدوتيت، سرعت امواج لرزه‌ي بيش از 8 كيلومتر بر ثانيه است. بنابراين تصور مي‌شود كه اين كاني‌ها بايد جز كاني‌هاي اصلي گوشته باشند. اين نتيجه با اطلاعات كمي كه از راه‌هاي ديگر درباهر تركيب گوشته به دست آمده سازگار است.

سرعت امواج P و S در نواحي مختلف گوشته بي نظمي‌هايي نشان مي‌دهد (نمودار 1). اولين تغيير مهم در عمق حدود 70 تا 100 كيلومتر شروع مي‌شود. از قاعده پوسته تا عمق حدود 100 كيلومتر، سرعت به آهستگي از حدود 8 به 3/8 كيلومتر بر ثانيه مي‌رسد و تا عمق حدود 350 كيلومتر در حد كم باقي مي‌ماند. اين منطقه را اصطلاحا" «لايه كم سرعت» مي‌گويند. البته عمق اين لايه در نواحي مختلف متفاوت و تا حدودي مبهم است و به علاوه اين لايه در زير اقيانوس‌ها بهتر توسعه پيدا كرده است شواهدي كه نشان دهنده تغيير تركيب سنگ‌ها در لايه كم سرعت باشد وجود ندارد. تصور مي‌شود كه اين منطقه با بخش‌هاي بلافاصله بالا و پايين خود تركيب مشابه‌ي دارد ولي به اندازه آنها صلب نيست، كمتر از آنها الاستيك (كشسان) و بيشتر از آنها (خميرسان) است.

نمودار 1- بي نظمي در سرعت امواج زلزله

تغييرات سرعت امواج لرزه‌ي نسبت به عمق، تغييرات ناگهاني در مرز پوسته- گوشته، در بخش‌هاي فوقاني گوشته و در مرز گوشته – هسته روي مي‌دهد. يك توضيح احتمالي برا‌ي وجود لايه كم سرعت آن است كه در اعماق حدود 100 تا 350 كيلومتر گراديان زمين گرمايي به دماي ذوب بخشي سنگ‌هاي گوشته نزديك مي‌شود (شكل 2). در نتيجه يا صلبيت سنگ‌ها كاهش مي‌يابد يا اينكه عملا" ذوب شروع مي‌شود. به هر حال مقدار مواد مذاب (اگر وجود داشته باشد) بايد خيلي كم باشد؛ چون لايه كم سرعت موج S از مايعات نمي تواند عبور كند. بنابراين مي‌توان گفت سنگ‌ها در مناطق كم سرعت جامد باقي مي‌مانند ولي خيلي نزديك به ذوب اند

 

 

نمودار 2- نزديك شدن گراديان زمين گرمايي با دماي ذوب سنگ ها

يك توضيح احتمالي براي منطقه كم سرعت، وقتي منحني شروع ذوب سنگ‌هاي گوشته، منحني زمين گرمايي را قطع مي‌كند مقدار كمي ماده مذاب توليد مي‌شود. اين مقدار كم ماده مذاب باعث تغيير خواص پلاستيك سنگ‌ها و تشكيل لايه كم سرعت مي‌شود.
لايه كم سرعت اهميت زيادي در توجيه نظريه زمين ساخت ورقي دارد. زيرا در اين نظريه، ورقه‌هاي تكتونيكي بايد بتوانند بر روي يك منطقه تقريبا" پلاستيك بلغزند. به علاوه چنان كه مي‌دانيم ماگماي بازالتي نيز بر اثر ذوب بخشي سنگ‌ها در گوشته فوقاني از اعماق حدود 100 تا 350 كيلومتر منشأ مي‌گيرد. بنابراين لايه كم سرعت حداقل در زير اقيانوس‌ها بايد بر سست  كره منطبق باشد. بخش بالايي گوشته را همراه با پوسته كه لايه‌ي به ضخامت حدود 100 كيلومتر از سنگ‌هاي سخت و شكننده تشكيل مي‌دهد، سنگ كره (ليتوسفر) و بخش زيرين آن را كه سنگ‌ها حالت پلاستيك يا خمير مانند دارند و به آساني تغيير شكل مي‌دهند سست كره (آستنوسفر) مي‌گويند. ضخامت سست كره در همه جا يكسان نيست. سست كره در زير اقيانوس‌ها بالا مي‌آيد و در بعضي نقاط حتي تا عمق 20 كيلومتر مي‌رسد. در پشته‌هاي اقيانوسي از همه جا به سطح زمين نزديك تر است. در زير قاره‌ها به عمق 100 كيلومتر نزديك مي‌شود ولي در زير بخش‌هاي ضخيم پوسته تا عمق 150 كيلومتر فرو مي‌رود (نمودار 3).

 

 

 

نمودار3- ساختمان بخش‌هاي فوقاني زمين (مقياس قائم تقريبا" دو برابر مقياس افقي است).

با توجه به نمودار (1) در اعماق حدود 400 تا 670 كيلومتر نيز افزايش نسبتا" تندي در سرعت امواج ديده مي‌شود. بر اساس مطالعات آزمايشگاهي اين تغييرات سرعت را ناشي از تغيير فاز مي‌دانند (تغييرات در كاني شناسي يا ساختمان بلوين بدون آن كه لزوما" تغيير در تركيب ايجاد شود).
در زير عمق 670 كيلومتر فشردگي موجب مي‌شود كه سرعت‌هاي امواج لرزه‌ي به آهستگي و به طور تقريبا" منظم تا مرز گوشته- هسته افزايش يابد. در اين قسمت سنگ‌ها چگال و بسيار الاستيك اند ولي ماهيت آن خيلي كمتر از لايه‌هاي فوقاني شناخته شده است

 

ج:پوسته: خارجي ترين لايه زمين است كه سطح آن داراي برجستگي(كوهها) و فرو رفتگي ها(اقيانوسها) مي باشد ضخامت آن متفاوت است.

در زير قاره ها 20 تا 60 كيلومتر ? در زير اقيانوسها 8 تا 12 كيلومتر است.

 

پوسته در زير اقيانوسها شبيه لايه پايين پوسته قاره اي مي باشد.

نرم كره: قسمت خميري شكل گوشته را نرم كره گويند.

 

سنگ كره: پوسته سنگي و سخت زمين همراه با قسمت سنگي گوشته را سنگ كره گويند

سنگ كره بر روي نرم كره قراردارد و گاهي به آرامي جابه جا مي شود كه موجب وقوع زلزله مي شود.

 

 

 

زمين لرزه چگونه به شناسايي درون زمين كمك مي‌كند؟

وقتي زمين لرزه‌ي رخ مي‌دهد، بخشي از انرژي آزاد شده از منبع انرژي (كانون زلزله) به شكل امواج لرزه‌ي با سرعت معيني، كه به خواص فيزيكي محيط بستگي دارد، در تمام جهات منتشر مي‌شود. امواج لرزه‌ي وسيله اصلي مطالعات لرزه شناسي است. دانشمندان علوم زمين با مطالعه مسير حركت امواج لرزه‌ي و زمان سير آنها در درون زمين، در مورد خواص فيزيكي مواد در اعماق زمين و ساختمان دروني آن نتيجه گيري مي‌كنند.
خصوصيات امواج لرزه‌ي : امواج لرزه‌ي در يك محيط هموژن به صورت كره‌هاي در حال گسترش منتشر مي‌شوند. خطوط عمود بر اين سطوح كروي (جبهه موج)، مسير موج خوانده مي‌شود. امواج لرزه‌ي را امواج الاستيك نيز مي‌گويند. عبور اين امواج از سنگ‌ها موجب تغيير شكل آنها مي‌شود. پس از وقوع زمين لرزه دو نوع موج دروني و سطحي توليد مي‌شود. امواج دروني خود از دو نوع اند: موج طولي يا فشاري و موج عرضي يا برشي. موج طولي در جهت انتشار موج و موج عرضي در جهت عمود بر انتشار موج سبب ارتعاش ذرات ماده مي‌شود. سرعت انتشار موج طولي هميشه بيشتر از موج عرضي است، و زودتر از بقيه امواج به دستگاه لرزه نگار مي‌رسد، به همين جهت موج طولي را موج اوليه (P) و موج عرضي را موج ثانويه (S) نيز مي‌گويند. امواج سطحي (ريلي و لاو) كه در مجاور سطح زمين منتشر مي‌شوند، سرعت كمتري از امواج دروني دارند و پس از امواج S و P به ايستگاه‌هاي لرزه نگاري مي‌رسند.
امواج لرزه‌ي در سنگ‌ها با سرعت‌هايي منتشر مي‌شوند كه به چگالي و الاستيسيته آنها بستگي دارد (الاستيسيته يا كشساني)، خاصيتي است كه بر اثر آن وقتي يك ماده جامد تحت تأثير نيروهاي مخالف قرار مي‌گيرد تغيير شكل و اندازه مي‌دهد ولي با از بين رفتن نيرو به حالت اول برمي گردد، ميزان اين تغيير شكل را بر حسب ضرايب مختلف الاستيك بيان مي‌كنند.)
براي آن كه چگونگي كاربرد امواج لرزه‌ي را در شناخت ماهيت دروني زمين توضيح دهيم بايد به برخي از خواص امواج لرزه‌ي اشاره كنيم. امواج لرزه‌ي دروني، مانند امواج نوري، ضمن انتشار ممكن است منعكس يا منكسر شوند. انعكاس پديده‌ي آشناست. وقتي پرتوهاي نور به سطي مانند آينه برخورد مي‌كنند منعكس مي‌شوند. امواج لرزه ‌ي نيز به وسيله سطوح بسياري در درون زمين، مثل سطح بين هسته و گوشته يا گوشته و پوسته مي‌توانند منعكس شوند. انكسار نيز زماني رخ مي‌دهد كه سرعت امواج لرزه‌ي تغيير كند، مثل پرتوهاي نور وقتي كه از هوا وارد آب مي‌شوند.
مسيري كه هر موج طي مي‌كند بستگي به تغييرات سرعت آن در طول مسير دارد، اگر فرض كنيم كه سرعت انتشار موج لرزه‌ي در تمام نقاط در داخل زمين يكسان باشد، در اين حالت مسير موج به صورت يك خط مستقيم خواهد بود (شكل 1). اما زمين عملا" به صورت ساده فوق نيست. امواج لرزه‌ي ضمن عبور از يك ماده به ماده ديگري كه خواص الاستيك و چگالي متفاوتي دارند، به علت تغيير سرعت، تغيير مسير، مي‌دهند يا به عبارت ديگر در مرز بين دو ماده مي‌شكنند (شكل 2). تغيير سرعت در يك محيط ممكن است تدريجي يا ناگهاني باشد (شكل‌هاي 2و3). وقتي با افزايش عمق، سرعت امواج لرزه‌ي به تدريج افزوده شود، امواج به طور پيوسته شكسته مي‌شوند و در نتيجه مسيري منحني شكل پيدا مي‌كنند(شكل 3).

 

شكل 1- مسير امواج لرزه‌ي با فرض بر اينكه سرعت امواج در تمام نقاط در داخل آن ثابت باشد

 

 

شكل 2- انكسار امواج لرزه‌ي در مرز بين دو لايه با سرعت‌هاي لرزه‌ي متفاوت

 

شكل 3- وقتي سرعت امواج لرزه‌ي نسبت عمق به تدريج افزوده شود مسير حركت موج منحني شكل مي‌شود. جبهه موج و مسير انتشار موج در شكل نشان داده شده است