Zemes struktūra un slāņi: pārskats par garozu, mantiju un kodolu

Zemes struktūra ir sadalīta slāņos, kas atšķiras gan pēc ķīmiskā sastāva, gan pēc fizikālajām īpašībām. Galvenie slāņi ir ārējā cietā garoza, viskozs un blīvs mantijs, šķidrais ārējais kodols un cietais iekšējais kodols. Zemes forma ir oblats sferoīds — nedaudz saplacināta pie poliem un izplesta pie ekvatora. Robežas starp šiem slāņiem atklāja seismoloģiskie mērījumi: seismogrāfi un seismiskās viļņu analīze parāda, kā zemestrīču vibrācijas atstarojas un refrakcējas, norādot uz pēkšņām fizikālām izmaiņām.

Garozas raksturojums

Zemes garoza ir ārējais cietais slānis, ko veido dažādi cietie ieži. Tā parasti sastāv no vieglākiem elementiem — galvenokārt silīcija un skābekļa, kā arī alumīnija. Tāpēc šo slāni bieži dēvē par siālu (Si + Al) vai felsisku. Pastāv divi galvenie garozas tipi:

• Kontinentālā garoza — biezāka (vidēji ~30–70 km, vietām līdz 100 km), galvenokārt felsiska, vecāka un vieglāka.
• Okeāna garoza — plānāka (parasti ~5–10 km), blīvāka un maficāka (bazaltiska izcelsme).

Garozas un daļas augšējā mantijas kopums veido litosfēru (ciets, trausls slānis), kas plātnēs sadalīta un pārvietojas pa zemāka viskozitātes estenosfēru pamata slāni. Isostāzija izskaidro, kā litosfēras blīvums un biezums nosaka virsmas augstumu (kontinentu virs okeāna līmeņa).

Mantija — lielākais Zemes slānis

Mantele stiepjas zem garozas līdz apmēram 2 890 km dziļumam un veido lielāko Zemes tilpumu. Tā galvenokārt sastāv no skābekļa, silīcija un smagāka elementa magnija, un tāpēc to bieži sauc par sima (Si + Ma) vai mafisku. Mantija ir galvenokārt no peridotīta tipa iežiem.

1. Augšējā mantija: ietver cietu augšējo daļu, kas kopā ar garozu veido litosfēru. Litosfēras plāksnes “peld” uz zem tām esošās, daļēji plastiskās estenosfēras.
2. Estenosfēra: daļēji pusšķidra, plastiska zona, kurā ieži var deformēties un plūst lēni; šī zona atbalsta litosfēras plāksņu kustību un plūdus. Vietām estenosfērā var atrast daļēji izkusušu materiālu un magmas izcelšanos.
3. Transition zone (pārejas zona): aptuveni 410 km un 660 km dziļumos notiek minerālu fāžu pārkārtošanās (piem., olivīna pārvēršanās par spēcīgāk blīvākām formām), kas ietekmē seismisko viļņu ātrumu.
4. Apakšējā mantija: blīvāka un augstāka spiediena apstākļos, līdz pat robežai ar kodolu (apm. 2 890 km). Šeit dominē lēna konvekcija, kas ir svarīga enerģijas pārvadei no dziļākām zonām uz virsmu.

Mantijas temperatūra pie garozas apakšas var būt dažus simtus līdz ~1 600 °C, bet dziļāk tā pieaug. Mantijas konvekcija ir motors, kas virza plātņu tektoniku, veidojot zemūdens grēdas, zemestrīces, vulkānismu un kalnu veidošanos.

Kodols — dzelzs un niķeļa sirds

Zemes kodols galvenokārt sastāv no dzelzs un niķeļa, ar nelielu daudzumu vieglākiem elementiem (piem., sēru, silīciju, skābekli). Saskaņā ar seismiskajiem datiem un modeļiem, kodols sadalās divās daļās:

1. Ārējais kodols — šķidrs, vadošs slānis, kas stiepjas no aptuveni 2 890 km līdz aptuveni 5 150 km dziļumam (tātad kodola ārējā robeža ir apm. 3 480 km rādiusā no Zemes centra). Šķidra stāvokļa atklājums balstās uz to, ka S-viļņi (šķērsviļņi) tajā neizplatās. Ārējā kodola plūsmas kopā ar Zemes rotāciju rada ģeodinamisku “džinisku” ģenerējošo procesu — ģeomagnētisko ģeneratoru (dynamo), kas uztur Zemes magnētisko lauku.
2. Iekšējais kodols — ciets, galvenokārt dzelzs-niķeļa agregāts, aptuveni 1 220 km rādiusā (robeža apm. 5 150 km dziļumā). Lai gan temperatūra ir ļoti augsta (iespējams ~5 000–6 000 °C), spiediens ir tik liels, ka materiāls ir ciets.

Precīzs kodola sastāvs, īpaši vieglāku elementu klātbūtne ārējā kodolā, joprojām ir pētījumu jautājums. Kodols nosaka Zemes pamatīpašības — gravitācijas sadalījumu, siltumplūsmu uz mantiju un magnētiskā lauka uzvedību.

Seismiskās robežas un discontinuitātes

Galvenās seismiskās robežas, kuras identificēja seismogrāfi, ir:

• Moho — robeža starp garoza un mantiju (atklāta, analizējot P- un S-viļņu ātruma pēkšņas izmaiņas). Moho dziļums svārstās no dažiem kilometriem okeāna grīdā līdz vairākām desmitkārtām kilometru kontinentālajās jomās.
• 410 km un 660 km discontinuitātes — pārejas zonas robežas mantijā, saistītas ar minerālu fāžu izmaiņām, kas ietekmē blīvumu un viļņu ātrumu.
• Gutenberga discontinuitāte (CMB) — kodola un mantijas robeža aptuveni 2 890 km dziļumā; šeit pazūd S-viļņi un mainās P-viļņu ātrums.
• Lehmana discontinuitāte — iekšējā kodola robeža (apm. 5 150 km dziļumā), kur P-viļņu īpašības mainās, atklājot pāreju no šķidra uz cietu stāvokli.

Metodes un neatrisinātie jautājumi

Seismoloģija (P‑ un S‑viļņu analīze), gravitācijas mērījumi, ģeomagnētiskie novērojumi un laboratoriskas augsta spiediena izpētes minerālu fizikā nodrošina galveno informāciju par Zemes iekšējo būvi. Tomēr daudzi jautājumi joprojām ir aktīvi pētījumu laukā:

• Precīzs vieglo elementu daudzums kodolā un to ietekme uz blīvumu un konvekciju.
• Mantijas heterogenitāte — cik vienmērīgs ir sastāvs un kādi reģionālie atšķirību avoti (piem., subdukcijas plātnes, plūdu zonas, plumes).
• Detalizēta plumes un dziļo mantijas straumju loma vulkānismā un plātņu kustībā.

Pilnīgs Zemes iekšējās struktūras un dinamiskās mijiedarbības izskaidrojums vēl nav galīgi noskaidrots. Augstās temperatūras, milzīgais spiediens un minerālu fāžu pārmaiņas rada sarežģītu vidi, kur ieži var pastāvēt kā maisījums no daļēji šķidra materiāla un kristālu. Turpmākie seismoloģiskie mērījumi, laboratorijas eksperimenti pie augsta spiediena un datormodelēšana palīdz pakāpeniski uzlabot mūsu izpratni par Zemes garozu, mantiju un kodolu.

Jautājumi un atbildes

J: Kādi ir Zemes slāņi?

J: Kā tiek aprakstīta Zemes forma?

J: Kas tika atklāts starp Zemes garozu un mantiju?

J: Kādi elementi veido lielāko daļu Zemes garozas?

J: Kas veido lielāko daļu Zemes mantijas?

J:Kāda veida ieži veido mantijas augšējo daļu?

Meklēt pēc burta