Stavba Zeme
Od staroveku sa ľudia snažili pochopiť formovanie a zloženie Zeme. Najstaršie známe prípady mali nevedecký charakter – mali formu mýtov o stvorení alebo náboženských bájok o bohoch. Medzi klasickým starovekom a súčasnosťou sa objavilo veľké množstvo teórií o pôvode Zeme a jej správnom zložení. K prelomu však došlo až na začiatku 20. storočia, rozvojom seizmológie, štúdiom zemetrasení a šírenia elastických vĺn cez Zem alebo cez iné telesá podobné planétam. Na základe seizmických pozorovaní boli identifikované zreteľné rozhrania medzi jednotlivými geosférami zemského telesa. Rýchlosť a smer seizmickej vlny sa mení v závislosti od vlastností prostredia, ktorým sa vlna šíri. V rámci seizmických vĺn rozlišujeme (Obr. 1.):
- P vlny (pozdĺžne), ktoré sú najrýchlejšie a šíria sa tuhými (pevnými) aj kvapalnými látkami,
- S vlny (priečne), ktoré sa nešíria sa kvapalinami,
- L vlny (povrchové), ktoré sa uplatňujú najmä pri zemetraseniach a sú najničivejšie, pretože sú relatívne pomalé a zotrvávajú na mieste dlhšiu dobu.
Na získavanie poznatkov o stavbe hlbších častiach Zeme sa využíva predovšetkým štúdium pozdĺžnych P-vĺn a priečnych S-vĺn.
Obr. 1. Šírenie sezmických vĺn v zemskom telese.
Štúdie vedcov rôznych odvetví ukazujú, že zloženie zemského telesa nie je homogénne a Zem môže byť vnútorne rozdelená na vrstvy na základe postupných alebo náhlych zmien mechanických alebo chemických vlastností (Obr. 2.). Mechanicky alebo reologicky sa Zem dá rozdeliť podľa rozdielnych fyzikálnych vlastností v jej jednotlivých častiach. Vrchnú časť Zeme, cca do 100km, v ktorej sú horniny pevné označujeme ako litosféru. Tvorí ju zemská kôra a najvrchnejšia časť zemského plášťa.V časti zemského plášťa, pod litosférou, označovanej ako astenosféra, dosahujú horniny takú vysokú teplotu, že strácajú pevnosť a chovajú sa plasticky. Jej mocnosť je cca 200 km, zasahuje približne do hĺbky 350 km. Na hranici s litosférou je zreteľná náhla zmena fyzikálnych vlastností. Zvyšná časť zemského plášťa pod astenosférou sa označuje ako mezosféra. Jej materiál kontinuitne dopĺňa astenosféru. Pod mezosférou sa nachádza jadro rozdelené na vonkajšie a vnútorné.
Obr. 2. Členenie Zeme na základe mechanických a chemických vlastností
Z chemického hľadiska možno Zem rozdeliť na tri vrstvy. Na vrchu plášťa je relatívne tenká kôra, ktorej hrúbka sa zvyčajne pohybuje v priemere okolo 40 km (max. až 70 km). Plášť je oveľa hrubší ako kôra; obsahuje 83 percent objemu Zeme a pokračuje do hĺbky 2 900 km. Pod plášťom sa nachádza jadro, ktoré siaha do stredu Zeme, asi 6 370 km pod povrchom. Geológovia tvrdia, že jadro je tvorené predovšetkým kovovým železom sprevádzaným menším množstvom niklu, kobaltu a ľahších prvkov, ako je uhlík a síra.
Diferenciácia Zeme na jednotlivé vrstvy bola spôsobená procesmi, ktoré prebehli počas raných štádií formovania Zeme (cca pred 4,5 miliardami rokov). V tomto čase hustejšie látky klesali smerom k stredu, zatiaľ čo menej husté materiály migrovali do kôry.
Zemské jadro
Zemské jadro je najhustejšia časť zemského telesa, umiestnená v jeho strede (6378 – 2900 km). Predstavuje 16 % objemu Zeme, ale až 32 % jej hmotnosti. Predpokladá sa, že pozostáva zo zliatiny železa a niklu, predovšetkým na základe výpočtov jeho hustoty a skutočnosti, že mnohé meteority (ktoré sa považujú za časti vnútrajška planetárneho telesa) sú zliatiny železa a niklu. Jadro je tiež zdrojom vnútorného tepla Zeme, pretože obsahuje rádioaktívne materiály, ktoré uvoľňujú teplo, keď sa rozkladajú na stabilnejšie látky. V hĺbke 5 150 km je rozdelené na vonkajšiu a vnútornú zónu – vonkajšie jadro a vnútorné jadierko.
Vnútorné jadro sa skladá predovšetkým zo železa a niklu a má polomer ~ 1 220 km. Hustota v jadre sa pohybuje medzi 12 600 – 13 000 kg/m3, čo naznačuje, že tam musí byť aj veľké množstvo ťažkých prvkov – ako zlato, platina, paládium, striebro a volfrám. Teplota vnútorného jadra sa odhaduje na približne 5 400 ° C. Vnútorné jadro je pevné aj napriek extrémnej teplote hlavne kvôli obrovským tlakom (cca 330 - 360 GPa), ktoré existujú v blízkosti stredu Zeme. Ten je produkovaný hmotnosťou nadložných hornín a je dostatočne silný na to, aby stlačil atómy tesne k sebe a zabránil tekutému stavu.
Vonkajšie jadro, o ktorom sa potvrdilo, že je tekuté (na základe seizmických prieskumov), má hrúbku 2 300 km a siaha do polomeru ~ 3 400 km. V tejto oblasti sa odhaduje, že hustota je oveľa vyššia ako v plášti alebo kôre, pohybuje sa medzi 9 900 a 12 200 kg/m3. Predpokladá sa, že vonkajšie jadro pozostáva z 80% železa spolu s niklom a niektorými ďalšími ľahšími prvkami. Vonkajšie jadro nie je pod dostatočným tlakom, aby bolo pevné, takže je tekuté, aj keď má podobné zloženie ako vnútorné jadro. Teplota vonkajšieho jadra sa pohybuje od 4 030 ° C vo vonkajších oblastiach do 5 730 ° C najbližšie k vnútornému jadru. Kvôli svojej vysokej teplote je vonkajšie jadro v tekutom stave.
Kovový charakter jadra podmieňuje vysokú elektrickú vodivosť. Hmota tekutého vonkajšieho jadra sa v dôsledku rotácie Zeme pohybuje okolo kovového jadierka, čo spôsobuje vznik elektrického prúdu, ktorý generuje elektrické pole a následne pole magnetické. Udržiavanie prúdenia si vyžaduje energiu, ktorej pôvod je pravdepodobne z väčšej časti gravitačný. Zdrojmi energie by mohlo byť teplo uvoľnené rozpadom rádioaktívnych prvkov.
Zemský plášť
Zemský plášť tvorí asi 84 % objemu Zeme. Je prevažne pevný, ale v geologickom čase sa správa ako veľmi viskózna tekutina. Predpokladá sa, že zemský plášť pozostáva hlavne z horniny bohatej na olivín. Hustota plášťa je nižšia ako v jadre. Čo sa týka teploty, tá je v rôznych hĺbkach rôzna. Najnižšia je bezprostredne pod kôrou a zvyšuje sa s hĺbkou. Najvyššie teploty sa vyskytujú tam, kde je materiál plášťa v kontakte s jadrom produkujúcim teplo. Horniny v hornom plášti sú chladné a krehké, zatiaľ čo horniny v spodnom plášti sú horúce a mäkké (ale nie roztavené). Na základe rýchlosti šírenia seizmických vĺn sa zemský plášť člení na: spodný a vrchný.
Spodný plášť leží v hĺbke 660 – 2 891 km. Teploty v tejto oblasti planéty môžu dosiahnuť viac ako 4 000 ° C na hranici s jadrom, čo výrazne presahuje teplotu topenia plášťových hornín. V dôsledku obrovského tlaku vyvíjaného na plášť je tavenie veľmi obmedzené v porovnaní s horným plášťom. Horniny majú vysokú teplotu, sú mäkké, ale nie roztavené. O spodnom plášti je známe veľmi málo, okrem toho, že sa zdá byť relatívne seizmicky homogénny. Rýchlosť seizmických P a S vĺn dosahuje najvyššie hodnoty v celom zemskom telese. Ich nárast súvisí so zvyšovaním hustoty a hĺbkou.
Vrchný plášť, ktorý začína v oblasti tzv. Mohorovičiovej ploche diskontinuity (alias „MOHO“), siaha od hĺbky 7 až 35 km smerom nadol do hĺbky 410 km. Teploty sa pohybujú medzi 500 až 900 °C. V porovnaní s inými vrstvami je o vrchnom plášti známe veľa vďaka seizmickým štúdiám a priamym prieskumom pomocou mineralogických a geologických prieskumov. Horninu tvoriacu vrchný plášť označujeme ako pyrolit (bazalty – 30%, peridotity, eklogit). Na jej chemickom zložení sa podieľajú hlavne oxidy Mg, Fe, Si, menej Al, Ca a Na. Vrchný plášť sa skladá z: tenkej pevnej vrstvy siahajúcej pod MOHO do hĺbky 60–100 km; plastickej vrstvy astenosféry, hrubej cca 200 km a spodnej vrstvy hrubej 700 km. Najvrchnejšia časť plášťa spolu so zemskou kôrou tvoria litosféru, ktorá je rozlámaná na dosky, pohybujúce sa na astenosfére. Na hranici litosféry a astenosféry dochádza k náhlej zmene fyzikálnych vlastností. Horniny v astenosfére sú plastické a rýchlo sa deformujú - správajú sa podobne ako prírodný asfalt. Viskozita je extrémne vysoká. V dôsledku toho sa seizmické vlny pri vstupe do astenosféry spomaľujú. S rastúcou hĺbkou však väčší tlak z hmotnosti hornín nad nimi spôsobuje, že plášť sa postupne stáva silnejším a seizmické vlny zvyšujú rýchlosť, čo je charakteristická vlastnosť spodného plášťa.
Zemská kôra je najvrchnejšia a najtenšia časť zemského telesa. Je pevná a v pomere k celej Zemi nie je hrubšia ako škrupina na vajci. Siaha do hĺbky približne 5-70 km. Táto vrstva tvorí iba 1% celkového objemu Zeme, hoci tvorí celý jej povrch (kontinenty a dno oceánu). Od zemského plášťa je oddelená MOHO diskontinuitou, ktorá prebieha na rozhraní bázických hornín kôry a ultrabázických hornín plášťa. Táto diskontinuita je považovaná za bázu zemskej kôry. Na základe zloženia a hrúbky rozlišujeme 2 typy zemskej kôry: kontinentálnu a oceánsku. Distribúcia týchto typov kôry sa vo všeobecnosti zhoduje s rozdelením na kontinenty a oceánske panvy, hoci kontinentálne šelfy, ktoré sú ponorené, sú podložené kontinentálnou kôrou. Kontinentálna kôra má priemernú hrúbku 40 km a hustotu asi 2,3 g/cm3. Nízka hustota hrubej kontinentálnej kôry jej umožňuje „plávať“ na plášti s oveľa vyššou hustotou pod ňou a vytvárať zvýšený reliéf. Z horninového zloženia obsahuje od vrchu nadol: vrstvu sedimentárnych hornín (500 až 10 000 m), granitovú vrstvu (granitoidy a metamorfované horniny) a bazaltovú vrstvu. O niečo ľahšia je oceánska kôra, ktorá je monotónnejšia. Na vrchu obsahuje vrstvu sedimentárnych hornín (vápence, ílovce), pod ktorou je bazaltová vrstva bohatá na železo a horčík, ale s nízkym obsahom draslíka. Jej hustota je približne 2,7 až 3 g/cm3. Je oveľa tenšia, v priemere má hrúbku asi 6 km. Vek oceánskej kôry nie je vyšší ako 200 mil. rokov. Naproti tomu, najstaršie časti kontinentálnej kôry vznikli v období vzniku Zeme. Najstaršie známe minerálne zrná sú staré 4,4 miliardy rokov, čo naznačuje, že Zem mala pevnú kôru aspoň tak dlho.
Najvyššiu časť plášťa, spolu s kôrou tvorí litosféra – nepravidelná vrstva s maximálnou hrúbkou asi 200 km. Horniny v nej sú pevné, krehké a ťažko sa deformujú. Kôrovú časť litosféry od plášťovej oddeľuje Mohorovičičova plocha diskontinuity, ktorá prebieha na rozhraní bázických hornín kôry a ultrabázických hornín plášťa.
Poznať vnútro Zeme priamymi pozorovaniami nie je možné kvôli obrovskej veľkosti a meniacemu sa charakteru jej vnútorného zloženia. Pre ľudí je takmer nemožné dosiahnuť stred Zeme (polomer Zeme je 6 370 km). Prostredníctvom banských a vrtných operácií sme mohli priamo pozorovať zemské vnútro len do hĺbky niekoľkých kilometrov (najhlbší vrt na polostrove Kola má hĺbku 12 262 m). Rýchly nárast teploty pod zemským povrchom je zodpovedný najmä za stanovenie limitu pre priame pozorovania vo vnútri Zeme. Napriek tomu majú vedci prostredníctvom niektorých priamych a nepriamych zdrojov dobrú predstavu o tom, ako vyzerá vnútro Zeme.
Úloha: