6.3: Всередині Землі
- Page ID
- 36113
Перш ніж дізнатися про тектоніку плит, потрібно щось знати про шари, які знаходяться всередині Землі. Ці шари поділяються за складом на ядро, мантію та кору або за механічними властивостями на літосферу та астеносферу. Вчені використовують інформацію від землетрусів та комп'ютерне моделювання, щоб дізнатися про надр Землі.
ДОСЛІДЖУЮЧИ ЗЕМНІ НАДРА
Звідки вчені знають, що знаходиться всередині Землі? У нас немає прямих доказів! Скелі дають деякі підказки, але вони лише розкривають інформацію про зовнішню кору. У рідкісних випадках мінерал, такий як алмаз, виходить на поверхню глибше в корі або мантії. Щоб дізнатися про надр Землі, вчені використовують енергію, щоб «побачити» різні шари Землі, так само, як лікарі можуть використовувати МРТ, КТ або рентген, щоб побачити всередині наших тіл.
СЕЙСМІЧНІ ХВИЛІ
Один геніальний спосіб вчені дізнаються про надрах Землі, дивлячись на те, як енергія рухається з точки землетрусу. Це сейсмічні хвилі (рис. 1). Сейсмічні хвилі рухаються назовні у всіх напрямках, звідки земля проривається при землетрусі. Ці хвилі підхоплюються сейсмографами по всьому світу. Два типи сейсмічних хвиль найбільш корисні для вивчення надр Землі.
- P-хвилі (первинні хвилі) найшвидші, подорожуючи приблизно від 6 до 7 кілометрів (близько 4 миль) в секунду, тому вони прибувають першими на сейсмометр. P-хвилі рухаються в русі типу стиснення/розширення, стискаючи та розтискаючи земляні матеріали під час подорожі. Це призводить до зміни обсягу для матеріалу. P-хвилі злегка згинаються, коли вони переходять з одного шару в інший. Сейсмічні хвилі швидше рухаються через більш щільний або жорсткий матеріал. Оскільки P-хвилі стикаються з рідким зовнішнім ядром, який менш жорсткий, ніж мантія, вони сповільнюються. Це змушує P-хвилі прибувати пізніше і далі, ніж можна було б очікувати. В результаті виходить тіньова зона P-хвилі. Жодних P-хвиль не підхоплюється на сейсмографах від 104° до 140° від фокусу землетрусів.
Малюнок 1. Як P-хвилі подорожують по надрах Землі. - S-хвилі (вторинні хвилі) приблизно вдвічі швидші, ніж P-хвилі, подорожуючи приблизно на 3,5 км (2 милі) в секунду, і прибувають другий на сейсмографах. S-хвилі рухаються в русі вгору і вниз перпендикулярно напрямку руху хвилі. Це призводить до зміни форми для земних матеріалів, через які вони рухаються. Тільки тверді речовини протистоять зміні форми, тому S-хвилі здатні поширюватися лише через тверді тіла. S-хвилі не можуть подорожувати через рідину.
Відстежуючи сейсмічні хвилі, вчені дізналися, з чого складається внутрішня частина планети (рисунок 2).
- P-хвилі сповільнюються на кордоні ядра мантії, тому ми знаємо, що зовнішнє ядро менш жорстке, ніж мантія.
- S-хвилі зникають на кордоні ядра мантії, тому зовнішнє ядро є рідким.
Малюнок 2. Букви описують шлях окремого зубця P або S-зубця. Хвилі, що подорожують по ядру, приймають на букву К.
Ця анімація показує тіньову зону сейсмічної хвилі.
Інші підказки про внутрішню частину Землі
- Загальна щільність Землі вище, ніж щільність порід земної кори, тому ядро повинно бути зроблено з чогось щільного, як метал.
- Оскільки Земля має магнітне поле, всередині планети повинен бути метал. Залізо і нікель обидва магнітні.
- Метеорити - це залишки матеріалу, який утворив ранню Сонячну систему і, як вважають, схожий на матеріал у надрах Землі (рисунок 3).
Малюнок 3. Цей метеорит містить мінерали кремнезему і залізо-нікель. Матеріал схожий на межу між ядром Землі та мантією.
ЗЕМНІ ШАРИ
Шари, які вчені визнають, зображені на малюнку 4.
Малюнок 4. Поперечний переріз Землі показує наступні шари: (1) кора (2) мантія (3a) зовнішнє ядро (3b) внутрішнє ядро (4) літосфера (5) астеносфера (6) зовнішнє ядро (7) внутрішнє ядро.
Ядро, мантія і кора - це поділи на основі складу:
- Земна кора становить менше 1% від маси Землі. Океанічна кора є магічною, тоді як континентальна кора часто є більш фелсической породою.
- Мантія - гаряча, ультрамафічна порода. Вона становить близько 68% маси Землі.
- Серцевиною є здебільшого залізний метал. Ядро становить близько 31% Землі.
Літосфера і астеносфера - це підрозділи, засновані на механічних властивостях:
- Літосфера складається як з кори, так і з частини верхньої мантії, яка поводиться як крихке, жорстке тверде тіло.
- Астеносфера - це частково розплавлений верхній мантійний матеріал, який поводиться пластично і може текти.
Ця анімація показує шари за складом і за механічними властивостями.
Кора і літосфера
Зовнішня поверхня Землі - це її кора; холодна, тонка, крихка зовнішня оболонка з гірських порід. Кора дуже тонка, щодо радіуса планети. Існує два дуже різних типи кори, кожен з яких має свої відмінні фізико-хімічні властивості, які зведені в таблиці 1.
| скоринка | Товщина | Щільність | Склад | види гірських порід |
|---|---|---|---|---|
| Океанічний | 5-12 км (3-8 миль) | 3,0 г/см 3 | Магічний | Базальт і габро |
| Континентальний | Середні 35 км (22 миль) | 2,7 г/см 3 | Фельшич | Всі типи |
Океанічна кора складається з магічної магми, яка вивергається на морське дно для створення потоків базальтової лави або охолоджується глибше, щоб створити нав'язливу магматичну скелю габбро (рис. 5).
Малюнок 5. Габбро
Осади, в першу чергу грязі і раковини крихітних морських істот, покривають морське дно. Осад найбільш товстий біля берега, де він сходить з материків в річках і на вітрових течіях.
Континентальна кора складається з безлічі різних видів магматичних, метаморфічних і осадових порід. Середній склад - граніт, який набагато менш щільний, ніж магічні породи океанічної кори (рис. 6). Оскільки вона товста і має відносно низьку щільність, континентальна кора піднімається вище на мантії, ніж океанічна кора, яка занурюється в мантію, утворюючи басейни. При заповненні водою ці басейни утворюють океани планети.
Малюнок 6. Цьому граніту з Міссурі більше 1 мільярда років.
Літосфера - це самий зовнішній механічний шар, який поводиться як крихке, жорстке тверде тіло. Товщина літосфери становить близько 100 кілометрів. Подивіться на малюнок 4. Чи можете ви знайти, де знаходиться кора і літосфера? Чим вони відрізняються один від одного?
Визначення літосфери базується на тому, як поводяться земні матеріали, тому воно включає кору та саму верхню мантію, які є крихкими. Так як вона жорстка і крихка, при впливі на літосферу стресів вона розривається. Це те, що ми переживаємо як землетрус.
Мантія
Дві найважливіші речі про мантії: (1) вона виготовлена з твердої породи, і (2) гаряча. Вчені знають, що мантія виготовлена з гірської породи на основі даних сейсмічних хвиль, теплового потоку та метеоритів.
За властивостями підходить ультрамафічна гірська порода перидотит, яка виготовлена з багатих залізом і магнієм силікатних мінералів (рис. 7). Перидотит рідко зустрічається на поверхні Землі.
Малюнок 7. Перидотит утворюється з кристалів олівіну (зеленого кольору) і піроксену (чорного кольору).
Вченим відомо, що мантія надзвичайно гаряча через що виходить з неї назовні тепла і через своїх фізичних властивостей.
Тепло тече двома різними способами всередині Землі:
- Провідність: Тепло передається через швидкі зіткнення атомів, що може статися лише в тому випадку, якщо матеріал твердий. Тепло тече з більш теплих місць до тих пір, поки всі не будуть однакові температури. Мантія гаряча здебільшого через тепло, що проводиться від ядра.
- Конвекція: Якщо матеріал здатний рухатися, навіть якщо він рухається дуже повільно, можуть утворюватися конвекційні потоки.
Конвекція в мантії така ж, як конвекція в каструлі з водою на плиті. Конвекційні потоки всередині мантії Землі утворюються, оскільки матеріал біля ядра нагрівається. Оскільки ядро нагріває нижній шар мантійного матеріалу, частинки рухаються швидше, зменшуючи його щільність і змушуючи його підніматися. Піднімається матеріал починає конвекційний струм. Коли теплий матеріал досягає поверхні, він розтікається горизонтально. Матеріал остигає, тому що він більше не знаходиться поблизу серцевини. З часом він стає прохолодним і досить щільним, щоб зануритися назад в мантію. У нижній частині мантії матеріал рухається горизонтально і нагрівається серцевиною. Він досягає місця, де піднімається теплий матеріал мантії, а конвекційна комірка мантії завершена (рис. 8).
Малюнок 8. Конвекції
Ядро
У центрі планети лежить щільне металеве ядро. Вчені знають, що ядро - метал, тому що:
- Щільність поверхневих шарів Землі набагато менше загальної щільності планети, що обчислюється з обертання планети. Якщо поверхневі шари менш щільні, ніж середні, то внутрішні повинні бути щільніше середніх. Розрахунки показують, що сердечник становить близько 85% металу заліза з металом нікелю, що становить більшу частину решти 15%.
- Вважається, що металеві метеорити є представниками ядра. Розрахунок 85% заліза/ 15% нікелю вище також спостерігається в металевих метеоритах (рис. 9).
Малюнок 9. Залізний метеорит - це найближча річ до ядра Землі, яку ми можемо тримати в руках.
Якби ядро Землі не було металом, планета не мала б магнітного поля. Метали, такі як залізо, магнітні, але гірська порода, з якої складається мантія і кора, немає.
Вчені знають, що зовнішнє ядро рідке, а внутрішнє ядро тверде, оскільки:
- S-хвилі зупиняються на внутрішньому ядрі.
- Сильне магнітне поле викликається конвекцією в рідкому зовнішньому сердечнику. Конвекційні потоки в зовнішньому ядрі відбуваються за рахунок тепла від ще більш гарячого внутрішнього ядра.
Тепло, яке утримує зовнішнє ядро від затвердіння, виробляється в результаті розпаду радіоактивних елементів у внутрішньому ядрі.
РЕЗЮМЕ УРОКУ
- Земля складається з трьох шарів: кори, мантії та ядра.
- Крихку кору і саму верхню мантію разом називають літосферою.
- Під літосферою мантія являє собою тверду скелю, яка може текти, або вести себе пластично.
- Гаряче ядро розігріває підставу мантії, що викликає конвекцію мантії.
РЕФЛЕКСІЯ ПИТАННЯ
- Яку майстерність допомагає вам розвивати цей вміст?
- Які ключові теми висвітлюються в цьому контенті?
- Як зміст цього розділу може допомогти вам продемонструвати майстерність певної майстерності?
- Які питання у вас щодо цього вмісту?