زمین، کره‌ی آبی

مطالعه‌ی زمین یکی از مواردی است که در زمینه‌های گوناگون از نظر علمی به ما کمک فراوانی می‌کند. زمین‌ لرزه‌های فراوانی که متأسفانه در کشور عزیز ما رخ می‌دهد یکی از آن مسائل است. با همه‌ی این مسائل آدمی همواره نسبت به سایر سیارات کنجکاو بوده است و از آنجایی که انتظار می‌رود مواد سازنده‌ی زمین در بقیه سیارات هم اثر داشته‌اند پس در علم نجوم نیز مۆثر است.

انسان از زمان‌های بسیار قدیم مشتاق شناسایی ساختمان داخلی کره زمین بوده است و از آنجا که دسترسی مستقیم به قسمت‌های درونی امکان‌پذیر نبوده - و حتی با تکنولوژی عصر حاضر نیز این کار مقدور نیست - روش‌های غیرمستقیم همواره الهام‌ بخش آدمی در کسب اطلاعات از قسمت‌های داخلی زمین بوده است. از این میان می‌توان خروج مواد مذاب درونی توسط آتشفشان ها، چشمه‌های آب گرم، بررسی امواج زلزله، تجزیه و تحلیل تركیب شیمیایی شهاب‌سنگ‌ها و پدیده‌های مشابه را نام برد. آتشفشان ها و چشمه‌های آب گرم، از آنجایی كه از درون زمین بیرون می‌آیند، تا حدودی در شناسایی درون زمین به ما كمک می‌کنند؛ اما چگونه می‌توان از طریق بررسی شهاب‌سنگ‌ها به ساختار درونی زمین پی برد؟

انــــواع مشخصی از شهاب‌سنگ‌ها به نام كندریت، از بقایای منظومه شمسی اولیه هستند كه بدون تغییر در فضا باقی‌مانده‌اند و بعضی از آن‌ها روی زمین افتاده و مورد مطالعه قرار می‌گیرند. (از آنجا که سیاره زمین یکی از سیارات همین منظومه است، پس می‌توان ساختار و تركیب شیمیایی اصلی داخل زمین را تا حدودی شبیه به ساختار و ترکیب شهاب‌سنگ‌های كندریت دانست.)

ژئوفیزیک و ساختار زمین

در سال‌های اخیر توسعه علم ژئوفیزیک اطلاعات غیرمستقیم ارزشمندی از ترکیب و ساختمان درونی زمین در اختیار ما قرار داده است. از میان انواع مختلف روش‌های ژئوفیــــزیکی نحــوه‌ی حرکت امواج لرزه‌ای (امواج زمین‌لرزه) بیشترین کمک را در مورد شناساندن ترکیب و ساختمان درون زمین به بشر نموده است. زمین‌شناسان برای بررسی امواج زلزله از دستگاهی به نام سیسموگراف استفاده می‌كنند. سرعت حركت لرزه‌ها كه در داخل زمین سفر می‌كنند، به تركیب و تراكم موادی كه از میانشان عبور می‌كنند (جنس و ضخامت لایه‌های درونی زمین) بستگی دارد.

زمین‌شناسان می‌توانند بسیاری از نسبت‌های داخل زمین را با تجزیه و تحلیل این لرزه‌ها تعیین كنند. امواج زمین‌لرزه دارای قدرت مناسبی برای تحلیل ساختار درونی زمین هستند. دو موج اصلی زمین‌لرزه امواج P و S هستند. امواج P دارای سرعت بیشتری بوده و زودتر به گیرنده‌های زلزله‌ سنج‌ها می‌رسند؛ از طرفی این موج‌ها از گروه موج‌های طولی هستند یعنی راستای ارتعاش و انتشار آن‌ها یکی است.

موج S یک موج عرضی می‌باشد. امواج عرضی در محیط های مایع منتشر نمی‌شوند و در محیط های نزدیک به مایع و خمیری شکل سرعتشان کاهش شدیدی میابد. این قضیه در مورد امواج زلزله در زمین رخ داد و دانشمندان را به فکر فروبرد که شاید زمین دارای هسته‌ای مایع است.

امواج لرزه‌ی زلزله‌های بزرگ قادرند فواصل زیادی را در كره زمین طی كنند. الگوی انتشار و حذف امواج لرزه‌ایی سبب شناسایی یك منطقه مهم دیگر در درون زمین شده است. امواج S و P به شدت تحت تأثیر مرزی در عمق 2900 كیلومتری قرار می‌گیرند. در این عمق سرعت موج P كاهش شدید نشان می‌دهد و موج S حذف می‌شود. مرز بین گوشته و هسته در این عمق قرار دارد. امواج P یا امواج فشاری می‌توانند از درون جامدات و مایعات عبور كنند. امواج صوتی نیز كه از نوع فشاری‌ اند، می‌توانند از هوا، آب و جامدات عبور كنند.

امواج P می‌توانند از سنگ‌ها، ماگما و دیگر سیالات بگذرند، گرچه سرعت آن‌ها در محیط‌های مختلف تغییر می‌كند؛ اما امواج S یا امواج برشی نمی‌توانند از سیالات عبور كنند. زیرا عمل این موج تغییر شكل (نه تغییر حجم) اجسام است. سیالات تغییر حجم می‌دهند ولی تغییر شكل نمی‌دهند. تغییر شكل مستلزم شكستن و تغییر پیوندهاست، به طوری كه مولكول‌ها نسبت به هم بلغزند و این كار در سیالات امکان‌پذیر نیست.

وقتی زمین‌لرزه بزرگی روی می‌دهد، در فاصله بیش از 103 درجه از مركز سطحی زلزله، امواج S مستقیماً قابل دریافت نیستند. به عبارت دیگر یك «منطقه سایه» برای موج S از حدود 103 درجه به بعد در آن سوی زمین ایجاد می‌شود. یك توده سیال در درون زمین راه عبور امواج S را می‌بندد. این توده سیال، هسته خارجی مایع زمین است.

اندازه هسته خارجی با توجه به وسعت منطقه سایه معلوم شده است. هسته خارجی همچنین یك منطقه سایه حلقه مانند برای موج P نیز ایجاد می‌كند. این منطقه سایه در نواری حدود 103 تا 142 درجه نسبت به مركز سطحی زلزله گسترده است. منطقه سایه موج P ناشی از شكست امواج P در مرز گوشته هسته است.

مناطق سایه برای امواج P و S كه ناشی از هسته مایع خارجی زمین است. امواج لرزه‌ایی می‌توانند در مرزهای بین لایه‌های با خصوصیات لرزه‌ایی متفاوت منعكس شوند. بخشی از امواج P از مرز بین هسته داخلی و خارجی منعكس می‌شود و از آنجا كه سرعت‌ها در گوشته و هسته خارجی معلوم است، با استفاده از زمان‌های سیر امواج P منعکس‌شده از هسته داخلی می‌توان عمق هسته داخلی را برآورد نمود.

ترکیب و ساختمان پوسته

بر اساس مطالعه لرزه شناسی می‌توان ضخامت و ترکیب احتمالی پوسته را در هر نقطه تعیین کرد. پوسته در زیر اقیانوس‌ها نسبتاً نازک است. ضخامت متوسط پوسته اقیانوسی حدود 10 کیلومتر است.

خصوصیات الاستیک پوسته اقیانوسی مثل خصوصیات بازالت و گابرو است؛ اما پوسته قاره‌ایی چه از نظر ضخامت و چه از نظر ترکیب با پوسته اقیانوسی بسیار متفاوت است.

ضخامت پوسته قاره ایی بین تقریباً 20 تا 60 کیلومتر تغییر می‌کند و در زیر رشته کوه‌های اصلی بیشتر است. مطالعات گرانی سنجی نیز این مسئله را تأیید می‌کند. سرعت امواج لرزه ایی در پوسته قاره‌ایی نشان‌دهنده خواص الاستیک شبیه به سنگ‌هایی مثل گرانیت و دیوریت است. در بعضی مناطق درست در بالای موهو سرعت‌های نزدیک به پوسته اقیانوسی مشاهده می‌شود. این نتایج با آنچه که درباره ترکیب زمین از راه‌های دیگر مثل شواهد زمین‌شناسی و حفاری‌های عمیق به دست آمده است تطبیق می‌کند.

ترکیب و ساختمان گوشته:

خصوصیات گوشته زمین تا اندازه‌ی مبهم است. سرعت امواج P در پوسته بین 6 تا 7 کیلومتر بر ثانیه تغییر می‌کند ولی در زیر مرز موهو به بیش از 8 کیلومتر بر ثانیه می‌رسد. تجربیات آزمایشگاهی نشان می‌دهد که در سنگ‌های غنی از کانی‌های الیوین، پیروکسین و گرونا مثل پریدوتیت، سرعت امواج لرزه‌ی بیش از 8 کیلومتر بر ثانیه است؛ بنابراین تصور می‌شود که این کانی‌ها باید جز کانی‌های اصلی گوشته باشند.

این نتیجه با اطلاعات کمی که از راه‌های دیگر باهر ترکیب گوشته به دست آمده سازگار است. یک توضیح احتمالی برای منطقه کم سرعت، وقتی منحنی شروع ذوب سنگ‌های گوشته، منحنی زمین گرمایی را قطع می‌کند مقدار کمی ماده مذاب تولید می‌شود. این مقدار کم ماده مذاب باعث تغییر خواص پلاستیک سنگ‌ها و تشکیل لایه کم سرعت می‌شود.