ساختمان داخلی زمین

درون زمین که درست در زیر پای ماست هنوز با مشاهده مستقیم قابل بررسی نیست. بیشتر دانش و آگاهی ما از داخل زمین از مطالعه امواج P و S که از درون زمین عبور کرده و در فاصله دوری دوباره به سطح می رسند، حاصل شده است. به بیان ساده، روش به کار رفته شامل اندازه گیری زمان لازم برای عبور امواج زلزله از کانون زمین لرزه یا انفجار هسته ای تا پایگاه زلزله شناسی است (ماتیوسون، ۱۹۸۱). چون زمان لازم برای عبور امواج P و S در زمین به خواص مواد سنگی بستگی دارد، لذا لرزه شناسان در پی یافتن تفاوت فواصل زمانی سیر امواج هستند که این تفاوت صرفاً حاصل اختلاف در مسافت نیست، بلکه با تغییرات خواص سنگ ها در ارتباط است. بر مبنای داده های زلزله شناسی، زمین به ۴ قسمت بزرگ تقسیم می شود:
۱.پوسته: لایه خارجی بسیار نازک؛
۲.گوشته: لایه سنگی که در زیر پوسته بوده و ۲۸۸۵ کیلومتر ضخامت دارد؛
۳.هسته خارجی: لایه ای با حدود ۲۲۷۰ کیلومتر ضخامت که خصوصیات مایعی متحرک را نشان می دهد.
۴. هسته خارجی: کره فلزی جامدی با شعاع حدود ۱۲۱۶ کیلومتر (شکل ۲-۲)
در سال ۱۹۰۹ یک زلزله شناس پیشگام اهل یوگسلاوی به نام آندریا موهورویچ اولین دلیل قانع کننده را مبنی بر وجود لایه های درون زمین ارائه کرد. وی با مطالعه لرزه نگاشت ها نشان داد که سرعت امواج لرزه ای در عمق ۵۰ کیلومتری زمین ناگهان افزایش می یابد. حدی را که وی پیدا نمود، مرز جدایی پوسته از گوشته بود که به افتخار او به ناپیوستگی موهورویچ معروف است
چند سال بعد، مرز اصلی دیگری توسط گوتنبرگ زلزله شناس آلمانی کشف شد. این کشف اساساً بر مبنای مشاهده رفتار امواج P استوار بود که در حدود زاویه ۱۰۵ درجه از زمین لرزه تقلیل یافته و کاملاً محو می شود. ولی دوباره در فاصله تقریبی ۱۴۰ درجه مجدداً ظاهر می شود، اما حدود ۲ دقیقه دیرتر از زمانی فرا می رسند که بر مبنای مسافت طی شده محاسبه می شود. این کمربند که عرض آن تقریباً ۳۵ درجه و مستقیماً فاقد امواج زلزله است، منطقه سایه نامیده می شود.
گوتنبرگ ثابت کرد که منطقه سایه می تواند به وجود هستهای تعبیر شود که مواد سازنده آن با مواد گوشته روی آن متفاوت بوده و شعاعی معادل ۳۴۲۰ کیلومتر داشته باشد. هسته نیز مانند جسمی که مانع عبور شعاع نورانی می شود، امواج P را از خود عبور نمی دهد و سایه از آن به وجود می آید. به هر حال، منطقه سایه بیش از آنکه محصول توقف امواجP باشد، بیشتر در اثر انحراف این امواج که مانند شکل ۲-۴ وارد هسته شوند، ایجاد می شود (براون و دیگران، ۱۹۸۶)
می دانیم که امواج S در هسته منتشر نمی شود. بنابراین زمین شناسان چنین نتیجه ای گرفته اند که دست کم بخشی از هسته مایع است. این تنیجه گیری توسط کاهش ناگهانی سرعت موج P به هنگام ورود به هسته تأیید شده است (تا ۴۰% کاهش می یابد). ضمناً چون ذوب نیز خاصیت کشسانی سنگ ها را کاهش می دهد، لذا تمام شواهد حاکی از وجود لایه ای مایع در زیر گوشته سنگ است (درویش زاده، ۱۳۶۷)
در سال ۱۹۳۶ آخرین زیر تقسیمات هم درون زمین، با کشف امواج زلزله که به نظر رسید از مرزی در درون هسته منعکس شده بود، پیش بینی شد. بدین ترتیب هسته ای در درون هسته کشف گردید. اندازه واقعی هسته داخلی تا زمان انجام آزمایشات هسته ای زیرزمینی در اوایل دهه ۱۹۶۰ در نوادا به درستی مشخص نبود. به دلیل اینکه محل و زمان دقیق انفجارات معلوم بود، بازتاب امواج لرزه ای که از هسته داخلی برمی گشتند، مفهوم دقیقی از اندازه آن به دست می داد. با استفاده از این داده ها و مطالعات بعدی، شعاع هسته داخلی معادل ۱۲۱۶ کیلونتر تعیین شد. به علاوه امواج P از درون هسته داخلی سریع تر از هسته خارجی عبور می کنند. افزایش آشکار خاصیت کشسانی مواد هسته داخلی، گواهی بر حالت جامد داخلی ترین بخش زمین است.
منطقه مهم دیگری که شایان توجه است، بخش بالایی گوشته است. این ناحیه که سست کره نامیده می شود در اعماق ۷۰ تا ۷۰۰ کیلومتری واقع است. کاهش سرعت امواج S در سست کره، دلیل بر وجود ذوب بخشی این ناحیه است (حدود ۱۰%). در روی سست کره، قسمت جامد خارجی به نام سنگ کره قرا دارد که شامل بخشی از گوشته بالایی و پوسته است. عقیده بر این است که ماده شکل پذیر سست کره در امتداد سنگ کره حرکت نموده و جا به جا می شود. بنابراین کشف سست کره سهم عمده ای در نظریه شناوری قاره ها داشت.

۲-۶- ترکیب زمین
پوسته زمین دارای ضخامت های متفاوتی است، به طوری که در برخی از نواحی کوهستانی بیش از ۷۰ کیلومتر و در بعضی از مناطق اقیانوسی کمتر از ۵۰ کیلومتر است . براساس اطلاعات حاصل از زمین لرزه ها، ترکیب پوسته قاره ای که عمدتاً از سنگ های گرانیتی تشکیل شده، کاملاً با ترکیب پوسته اقیانوسی متفاوت است. تا چند سال پیش دانشمندان در تعیین جنس و ترکیب پوسته اقیانوسی که در زیر ۳ کیلومتر آب و صدها متر رسوب واقع بود تنها به داده های لرزه ای متکی بودند.
برخی از گدازه هایی که به سطح زمین می رسند از ذوب بخشی سست کره در گوشته حاصل شده اند. بررسی آزمایشگاهی نشان داده که از ذوب بخشی سنگی به نام پریدوتیت، ماده مذابی با ترکیب بازالتی به وجود می آید که شبیه گدازه هایی است که در فعالیت های آتشفشانی جزایر اقیانوسی دیده می شوند. دانشمندان معتقدند که گوشته فوقانی از سنگ هایی نظیر پریدوتیت ساخته شده و گدازه فوران های اقیانوسی را فراهم می کنند.
همچنین شهاب سنگ ها که از فضا بر زمین سقوط می کنند به عنوان شواهدی از ترکیب داخلی زمین در نظر گرفته می شوند. چون سنگ های آسمانی بخشی از منظومه شمسی هستند، لذا به عنوان نمونه های شاهد، آن ها را مورد توجه قرار می دهند. ترکیب شهاب سنگ ها از انواع فلزی با جنس آهن و نیکل تا سنگی، متشکل از سنگ هایی شبیه پریدوتیت تغییر می کند. چون پوسته زمین نسبت به شهاب سنگ ها دارای درصد آهن بسیار کمتری هستند، لذا زمین شناسان عقیده دارند که طی تاریخ اولیه زمین کانی های سنگی به طرف پایین فرو رفته اند. با دلیل مشابه، کانی های سبک تر در بالا شناور شده و پوسته را ساخته اند. لذا چنین به نظر می رسد که هسته زمین مانند شهاب سنگ های فلزی اساساً از آهن و نیکل ساخته شده باشد، در حالی که گوشته اطراف آن از مواد سنگین نظیر شهاب سنگ های سنگی ترکیب یافته است. تصور وجود آهن مذاب در هسته خارجی که همچون یک آهن ربای بزرگ عمل می کند، مکانیزمی که بیش از همه میدان مغناطیسی زمین را توجیه می کند، حاکی از آن است که مغزه زمین از ماده ای شبیه آهن ساخته شده و دارای قابلیت هدایت الکتریکی است و حرکت آن به صورتی است که موجب پیدایش میدان مغناطیسی زمین می شود. این دو شرط با مدل ساختمانی هسته زمین که بر مبنای اطلاعات حاصل از زلزله استوار است تطبیق می کند.
هسته آهنی نه تنها میدان مغناطیسی زمین را توجیه می کند، بلکه چگالی زیاد داخل زمین که حدود ۳/۵ برابر چگالی آب است را نیز توجیه می کند. حتی تحت فشار بسیار زیاد در اعماق زمین، سنگ های پوسته با چگالی ۲/۸ برابر آب نمی توانند چگالی (محاسبه شده) زمین را داشته باشند.