Charakterystyka budowy wnętrza ziemi

Informacje o budowie wnętrza Ziemi uzyskuje się głównie drogą pośrednią, obserwacjom bezpośrednim dostępna jest, bowiem jedynie jej warstwa zewnętrzna. Najgłębsze wiercenia dochodzą do około 15 km głębokości, próbki skał pochodzących z głębokości około 100 km znajdujemy w kimberlitach (zawierających także diamenty).
Najwięcej danych o budowie głębszych sfer Ziemi dostarczają badania rozchodzenia się w jej wnętrzu fal sejsmicznych (sejsmologia), generowanych podczas trzęsień ziemi, a także badania ziemskiego pola magnetycznego i pola grawitacyjnego.
Ponieważ prędkość fal sejsmicznych jest funkcją takich parametrów jak gęstość, ściśliwość
i sztywność ośrodka, znajomość rozkładu prędkości fal sejsmicznych we wnętrzu Ziemi umożliwia określenie zmian tych parametrów wraz ze zmianą głębokości, co z kolei pozwala na wysuwanie hipotez dotyczących budowy Ziemi.
Na podstawie badań sejsmologicznych przyjęto sferyczny model wnętrza Ziemi; wyróżniono 3 główne sfery (geosfery): skorupę ziemską, płaszcz Ziemi i jądro Ziemi.
Sfery te mają zróżnicowane właściwości fizyczne; na granicach między poszczególnymi sferami, zwanych nieciągłościami: Golicyna, Gutenberga i Mohorovicicia, obserwuje się skokową zmianę prędkości fal sejsmicznych związaną z różnym składem chemicznym poszczególnych sfer lub ze zmianą stanu fazowego ośrodka.
Badania pola grawitacyjnego dostarczają informacji o gęstości wnętrza Ziemi, zaś ze zmian pola magnetycznego można wnioskować o oporze elektrycznym. Badania skał w laboratorium
w różnych zakresach temperatur i ciśnień pozwalają na interpretację danych geologicznych
i geofizycznych.
Materia wnętrza Ziemi stale się przemieszcza; ruchy konwekcyjne gorących skał w płaszczu Ziemi (konwekcja termiczna) są przyczyną stałego ruchu płyt litosfery (teoria tektoniki płyt), którego konsekwencją są erupcje wulkanów i trzęsienia ziemi, powstawanie łańcuchów górskich (orogeneza) i basenów oceanicznych, a także dryf kontynentów. Źródłem energii podtrzymującej procesy konwekcji jest ciepło pochodzące z wnętrza Ziemi.

WNĘTRZE ZIEMI

JĄDRO ZIEMI
barysfera, centralna część kuli ziemskiej, o promieniu około 3470 km, masie około 1851023 kg (około 31% całkowitej masy Ziemi i średniej gęstości 10 600 kg/m3. Według współczesnych poglądów jądro Ziemi jest utworzone ze stopu niklu (Ni) i żelaza (Fe) stąd używana niekiedy nazwa nife; być może zawiera też pewne ilości pierwiastków lekkich (według niektórych uczonych do 20%), najprawdopodobniej krzemu lub siarki.
Na podstawie badań sejsmologicznych w jądrze Ziemi rozróżniono 3 strefy: jądro zewnętrzne, strefę przejściową i jądro wewnętrzne. Jako granicę płaszcza Ziemi i jądra przyjmuje się nieciągłość Gutenberga strefę (na głębokości około 2900 km), w której obserwuje się gwałtowny spadek prędkości podłużnych fal sejsmicznych, a poprzeczne fale sejsmiczne, poczynając od niej, przestają przenikać w głąb Ziemi.
Jądro zewnętrzne (grubość około 2080 km) ma charakter cieczy o temperaturze
4000-4800C i dużej przewodności elektrycznej; przyjmuje się, iż w jądrze zewnętrznym występują (prawdopodobnie na wielką skalę) prądy konwekcyjne. Wskutek oddziaływania ruchu stopionego żelaza z polem magnetycznym powstaje skomplikowany układ prądów elektrycznych i ruchów materii jądra, powodujący podtrzymywanie pola magnetycznego Ziemi ( magnetyzm ziemski). Proces ten nazywamy dynamem planetarnym.
Jądro wewnętrzne (o promieniu 1250 km) ma charakter ciała stałego, prawdopodobnie
o bardzo dużej sztywności; jego gęstość wzrasta wraz ze wzrostem głębokości, osiągając wartość 16 000 18 000 kg/m3 w środku Ziemi, gdzie ciśnienie wynosi około 400 GPa,
a temperatura dochodzi do 6500C.
Charakter strefy przejściowej (grubość około 140 km) nie jest dotychczas wyjaśniony; prawdopodobnie między jądrem zewnętrznym a wewnętrznym nie ma nagłej zmiany składu chemicznego; według niektórych uczonych w obrębie strefy przejściowej następuje stopniowe przejście od fazy ciekłej do stałej.

PŁASZCZ ZIEMI
Sfera we wnętrzu Ziemi między dolną granicą skorupy ziemskiej, tzw. nieciągłością Mohorovicicia (na średniej głębokości około 35 km), a górną powierzchnią jądra Ziemi
(na głębokości 2900 km). Płaszcz Ziemi stanowi najbardziej masywną część naszego globu (około 68% masy).
W płaszczu Ziemi rozchodzą się zarówno podłużne, jak i poprzeczne fale sejsmiczne, co prowadzi do wniosku, że płaszcz Ziemi przy krótkotrwałych odkształceniach sprężystych zachowuje się jak ciało sztywne, chociaż pod wpływem sił działających w skali wiekowej ma właściwości plastyczne, w związku z czym mogą występować w nim prądy konwekcyjne.
Gęstość płaszcza Ziemi wynosi od 3300 kg/m3 (pod nieciągłością Mohorovicicia) do 5500 kg/m3 (na dolnej granicy), temperatura (na dolnej granicy) ok. 3000C, prędkość podłużnych fal sejsmicznych 8,1-13,6 km/s; ciśnienie u podstawy płaszcza Ziemi osiąga wartość około 13.1012 P.
Przypuszcza się, że płaszcz Ziemi jest zbudowany z materiału zbliżonego składem do perydotytu, a pod kontynentami być może również do eklogitu; materiał ten na większych głębokościach zawiera prawdopodobnie domieszki chromu, niklu, metalicznego żelaza, może siarczków i tlenków metali.
Wewnątrz płaszcza obserwuje się kilka nieciągłości sejsmicznych, z których najważniejsza jest granica na głębokości około 670 km. Płaszcz powyżej tej granicy nazywamy płaszczem górnym,
a poniżej płaszczem dolnym.
Skorupa ziemska oraz najwyższa część górnego płaszcza są dosyć chłodne i tworzą odporną mechanicznie warstwę zwaną litosferą. Grubość litosfery jest różna i zależy od rozkładu temperatury. Pod grzbietami śródoceanicznymi wynosi kilka kilometrów, z dala od nich ma około 50-60 km, a pod kontynentami jest jeszcze grubsza (około 100-120 km). Poniżej litosfery znajduje się astenosfera, charakteryzująca się spadkiem prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych, zwłaszcza poprzecznych, co wskazuje na to, że ma ona względnie małą lepkość i jest bardziej podatna na deformacje niż sąsiadujące z nią sfery.
Temperatura skał astenosfery jest bliska ich temperaturze topnienia, dlatego łatwo ulegają one deformacjom. Chociaż więc z punktu widzenia fizyki skały te są ciałem stałym, to w skali czasu geologicznego można traktować je jako ciecz. Zbiorniki stopionej materii ( magmy) stanowią niski procent objętości astenosfery i występują jedynie pod strefami wulkanicznymi. Dolna granica astenosfery nie jest ściśle określona. Wskutek wzrostu ciśnienia z głębokością skały stają się coraz mniej podatne na trwałe deformacje.
Tym niemniej cały płaszcz poniżej litosfery wykazuje właściwości ciekłe, jeśli rozpatrywać powolne procesy geologiczne, przebiegające w ciągu milionów lat. Ciekłe właściwości płaszcza umożliwiają powstawanie w nim prądów konwekcyjnych, które są głównym motorem procesów tektonicznych Ziemi. Przy szybkich procesach, takich jak krótkotrwałe odkształcenia związane
z przejściem fali sejsmicznej, skały płaszcza zachowują się jak ciało sprężyste.
Skały górnego płaszcza zawierają około 60% oliwinów, 30% piroksenów i 10% granatów. Na głębokości około 670 km wskutek przejścia fazowego z oliwinów i granatów powstaje minerał nazywany MgSiO3 w strukturze perowskitu.
Dolny płaszcz ( mezosfera) jest prawdopodobnie dosyć jednorodny; prędkość fal sejsmicznych i gęstość rosną w nim w sposób ciągły wraz z głębokością aż do tzw. warstwy D"
(D-bis). Warstwa D" ma zmienną grubość w zależności od położenia (średnio około 100 km); mimo wysokiej temperatury, wskutek znacznego ciśnienia materiał skalny dolnego płaszcza jest w stanie stałym.

SKORUPA ZIEMSKA
zewnętrzna powłoka Ziemi, niejednorodna, stosunkowo chłodna i sztywna, rozciągająca się od powierzchni Ziemi do tzw. nieciągłości Mohorovicicia (w skrócie Moho), o średniej gęstości 2800 3100 kg/m3. Rozróżnia się skorupę ziemską kontynentalną i oceaniczną.
Skorupa kontynentalna ma średnią grubość około 35 km; pod młodymi łańcuchami górskimi ( Alpidami) grubość jej wzrasta do około 70 km (pod Andami) i 80 km (pod Himalajami). Na terenie Polski grubość skorupy kontynentalnej wynosi 27 47 km. Skorupę kontynentalną budują skały osadowe oraz zróżnicowane skały magmowe i metamorficzne.
Na samym wierzchu znajduje się gleba i warstwa skał rozdrobnionych wskutek procesów wietrzenia ( regolit). Znaczne obszary Polski pokryte są warstwą utworów polodowcowych.
Poniżej znajdują się różne skały osadowe, których łączna grubość wynosi zwykle 1 5 km; warstwy osadowe mogą być jednak znacznie grubsze (pod górami), może też ich nie być wcale
(tzw. tarcze).
Pod warstwami osadowymi znajduje się warstwa o składzie zbliżonym do granitów (o grubości około 15 km), a jeszcze niżej warstwa o składzie zbliżonym do bazaltów (około 15 km). Kontynenty podzielone są na mniejsze bloki; budowa sąsiadujących ze sobą bloków często różni się zasadniczo od siebie, co sugeruje, iż powstawały one w różnych warunkach. W rejonie gór fałdowych powszechne są sfałdowania i nasunięcia skał.
Skorupa oceaniczna ma znacznie mniejszą niż skorupa kontynentalna grubość około
6 12 km, inna jest też jej budowa. Skorupa ziemska pod dnem oceanów jest zbudowana ze skał o składzie chemicznym bazaltów (około 7 km grubości) przykrytych przeważnie cienką warstwą słabo skonsolidowanych osadów (około 1 2 km).
Skorupa oceaniczna stanowi około 60% powierzchni Ziemi. Według teorii tektoniki płyt powstaje współcześnie w tzw. strefach rozrostu dna oceanicznego, a ulega zniszczeniu w strefach subdukcji. Wskutek ruchów górotwórczych (orogeneza) może być wbudowywana w strefy fałdowe skorupy kontynentalnej.
W skorupie ziemskiej wyróżnia się również strefy przejściowe między skorupą kontynentalną i oceaniczną, mające charakter ścienionej skorupy kontynentalnej, zwanej skorupą suboceaniczną; występują na granicy między kontynentami i oceanami (m.in. na obrzeżach Oceanu Atlantyckiego). Powstawanie skorupy kontynentalnej wiąże się na ogół ze skomplikowanymi procesami w strefach subdukcji. Skały skorupy kontynentalnej są na ogół wyraźnie starsze od skał skorupy oceanicznej. Wiek najstarszych skał skorupy kontynentalnej sięga 3,2 mld lat, najstarsze zaś fragmenty dna oceanicznego uformowały się około 200 mln lat temu.

POWIERZCHNIA ZIEMI
Powierzchnia Ziemi podzielona jest na część kontynentalną, obejmującą część lądową
i szelf kontynentalny wraz ze znajdującymi się w jego obrębie wyspami, oraz dno oceaniczne, położone średnio ok. 4000 m poniżej poziomu szelfu; obszar nagłego spadku dna oceanicznego, oddzielający szelf kontynentalny od części oceanicznej powierzchni Ziemi nazywany jest stokiem kontynentalnym. Wody oceanów wypełniające baseny oceaniczne wraz z szelfami kontynentalnymi, pokrywają 71% powierzchni Ziemi.
Większą część powierzchni kontynentów zajmują płaskie niziny, położone kilkaset metrów nad poziomem morza. Wyżej położone są wyżyny, których krajobraz urozmaicają wyżłobione przez rzeki kaniony ( jary). Wysoko ponad otaczający teren wznoszą się góry. Na kontynentach niekiedy występują głębokie rozpadliny, tzw. ryfty kontynentalne.
Na rzeźbę dna oceanicznego składają się grzbiety śródoceaniczne i rowy oceaniczne, łuki wysp, wyspy wulkaniczne, wielkie równiny i płaskowyże podwodne ( mikrokontynenty); środkiem niektórych grzbietów śródoceanicznych biegną doliny ryftowe, przecinane położonymi do nich prostopadle uskokami transformacyjnymi.
Powierzchnia Ziemi ulega ciągłym deformacjom. Pomiary dokonywane metodami geodezyjnymi ( geodezja, GPS) wskazują na stałe ruchy skorupy ziemskiej, których prędkość wynosi od kilku do kilkunastu centymetrów na rok. Ruchy te są odpowiedzialne za takie zjawiska jak trzęsienia ziemi, erupcje wulkaniczne czy procesy górotwórcze ( orogeneza, zob. też tektoniki płyt teoria). Najważniejszym procesem zewnętrznym odpowiedzialnym za rzeźbę powierzchni Ziemi jest erozja.

SKAŁY BUDUJĄCE SKORUPĘ ZIEMSKĄ

Skorupę ziemską budują pierwiastki i związki chemiczne, zwane minerałami. Skupiska tych minerałów, powstałe w wyniku naturalnych procesów geologicznych, tworzą skały.
Istnieje wiele klasyfikacji skał:

1) Ze względu na stan skupienia minerałów wyróżnia się:

? skały lite, np. granit, bazalt, gnejs, piaskowiec, zlepieniec.
? skały zwięzłe, np. glina.
? skały luźne, np. piasek i żwir.
2) Ze względu na skład chemiczny dzieli się je na:

? skały kwaśne, zawierające dużo krzemionki, np. granit.
? skały zasadowe, zawierające mniej krzemionki, a więcej pierwiastków metalicznych, np. bazalt.
? skały obojętne, np. sjenit.
3) Ze względu na sposób powstania (genezę) wyróżnia się:

? skały magmowe - powstałe z magmy lub lawy w wyniku jej zastygnięcia (krystalizacji). Charakteryzują się strukturą krystaliczną, czyli zbudowane są z kryształów. Proces powstawania minerałów w tych skałach jest jednoczesny z procesem powstawania skał. Skład mineralny tych skał jest zależny od składu chemicznego i warunków zastygania. Dzieli się je na:
- skały głębinowe (plutoniczne) - powstały pod powierzchnią Ziemi ze stygnącej magmy. Magma zastyga powoli, stąd składniki mineralne mają czas, aby ukształtować się w kryształy, dlatego też skały te charakteryzują się strukturą jawnokrystaliczną, czyli wyraźnie widocznymi ziarnami minerałów. Skały magmowe głębinowe mają największy udział wśród skał budujących kontynenty na kuli ziemskiej. Do tego typu skał należą: granity (najpospolitsze skały magmowe, a zarazem najpospolitsze skały skorupy ziemskiej), sjenity, dioryty i gabra.
- skały wylewne (wulkaniczne) - powstają z lawy na powierzchni Ziemi. W wyniku gwałtownego ochłodzenia po wydostaniu się na powierzchnię lawa szybko zastyga, czego efektem jest nie wykształcenie się wyraźnych minerałów, dlatego też skały te charakteryzuje struktura skrytokrystaliczna. Do tego typu skał należą: bazalty, andezyty, pumeksy, porfiry.
- skały żyłowe - powstałe na niewielkiej głębokości pod powierzchnią Ziemi w szczelinach, np. perydotyt.
? skały osadowe - powstałe w wyniku nagromadzenia się (sedymentacji) okruchów innych skał, szczątków obumarłych roślin lub zwierząt bądź osadów wytrąconych z roztworów wodnych. Tworzą się w płytkich zbiornikach wodnych i układają warstwowo (im warstwa wyżej położona tym jest młodsza). Dzieli się je na:
? skały okruchowe (klastyczne) - powstają przez nagromadzenie się okruchów innych skał (zwietrzeliny). Do ich powstania przyczynia się proces wietrzenia. Mogą mieć postać luźną lub litą. Do skał okruchowych luźnych należą: piaski, żwiry, muły i iły, a do skał litych: piaskowce, zlepieńce, mułowce i iłowce. Skały lite powstają w wyniku procesu diagenezy, czyli zespolenia się skał luźnych ze sobą. Ziarna w skałach litych połączone są tzw. lepiszczem (spoiwem).
- skały organiczne(organogeniczne, biochemiczne) - powstają z nagromadzenia szczątków obumarłych organizmów, zarówno zwierzęcych jak i roślinnych. Zalicza się do nich: wapienie
(m. in.: muszlowe, koralowe, numulitowe), kredę, dolomit, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny, ropę naftową, gaz ziemny, wosk ziemny (ozokeryt), asfalt, fosforyt i syderyt.
- skały chemiczne - powstają wskutek nagromadzenia się związków chemicznych wytrąconych
z wody. Należą do nich: sól kamienna, sole potasowe, gips, anhydryt i siarka (siarka nie powstaje w wyniku wytrącenia, tylko poprzez osadzenie w szczelinach skalnych z wulkanicznych wyziewów lub z przemiany gipsu w siarkowodór, a tej z kolei w siarkę).
? Skały metamorficzne(przeobrażone) - powstałe w głębi skorupy ziemskiej ze skał magmowych lub osadowych pod wpływem wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury, a czasem także w wyniku działania czynników chemicznych. Przeobrażenie tych skał odbywa się zazwyczaj w stanie stałym, lub przy częściowym ich upłynnieniu (w innym razie powstają skały magmowe). Charakteryzują się równoległym ułożeniem spłaszczonych i wydłużonych składników mineralnych. Rodzaj skały zależy zarówno od skały, która ulega przeobrażeniu, jak i od warunków w jakich powstaje (od głębokości, gdyż im głębiej tym panuje wyższa temperatura
i wyższe ciśnienie). Do skał metamorficznych zalicza się: marmury (powstałe z wapieni), kwarcyty (powstałe z piaskowców), gnejsy (ich pochodzenie nie jest jasne, możliwe, że powstały z granitu), łupki krystaliczne (przypuszczalnie z łupków ilastych i mułowców) i fyllity (z łupków ilastych i mułówców, lecz w niższej temperaturze niż łupki krystaliczne).

Skały rozróżnia się przede wszystkim na podstawie dwóch cech - tekstury i struktury (wielu geologów stosuje te pojęcia zamiennie):
Struktura skały jest to sposób i stopień wykształcenia składników skał, czyli wielkość i kształt minerałów, lub, w przypadku skał osadowych - ziaren. Wyróżnia się strukturę jawno krystaliczną
i skrytokrystaliczną.
Tekstura skały jest to sposób uporządkowania składników i sposób wypełniania przez nie przestrzeni. Wyróżnia się np.: tekstury bezładne, czyli bez wyraźnego uporządkowania składników i tekstury uporządkowane.
99,8% skał skorupy ziemskiej zbudowanych jest z 12 pierwiastków, spośród których największe znaczenie mają tlen i krzem, które łącznie stanowią ponad 75% oraz glin i żelazo (w sumie około 13%). Niewiele z pierwiastków tworzących skorupę ziemską występuje w czystej postaci, jedynie niektóre gazy, tzw. gazy szlachetne, jak: hel, neon czy argon. Pozostałe występują w związkach, zazwyczaj w postaci minerałów.
Skały mają duże zastosowanie w gospodarce. Gromadzą się one często w dużych ilościach, tworząc tzw. złoża mineralne (naturalne nagromadzenie użytecznych minerałów). Występują one w postaci pokładów, żył, soczewek lub gniazd. Jeśli są one łatwo dostępne i odpowiednio duże nadają się do eksploatacji. Największe znaczenie spośród nich mają tzw. surowce energetyczne: ropa naftowa, węgiel kamienny, węgiel brunatny, torfy i łupki bitumiczne, oraz surowce budowlane: granity, bazalty, gnejsy, łupki krystaliczne, piaski, piaskowce, żwiry i zlepieńce oraz marmury. Duże zastosowanie ma także siarka i skały zawierające potas i fosfor, gdyż służą do produkcji nawozów mineralnych i innych artykułów chemicznych. Ponadto do produkcji cementu stosuje się skały węglanowe: wapienie, margle i kredę.
Nauką zajmującą się badaniem skał jest petrografia, będąca dziedziną geologii.