Wnętrze Ziemi: Procesy Endogeniczne PDF

V. Wnętrze Ziemi. Procesy endogeniczne 1. Budowa wnętrza Ziemi  Źródła wiedzy – badania bezpośrednie Wiedza na temat budowy i właściwości wnętrza Ziemi tylko w niewielkim stopniu opiera się na bezpośrednich obserwacjach. Wynika to z faktu, że najgłębsze „dzi...

V. Wnętrze Ziemi. Procesy endogeniczne 1. Budowa wnętrza Ziemi  Źródła wiedzy – badania bezpośrednie Wiedza na temat budowy i właściwości wnętrza Ziemi tylko w niewielkim stopniu opiera się na bezpośrednich obserwacjach. Wynika to z faktu, że najgłębsze „dziury” w Ziemi sięgają ułamka procenta promienia ziemskiego: wiercenie dotarło do głębokości około 13,5 km, 13 500 metrów (odwiert Exxon’a w dnie Morza Ochockiego na Sachalinie z 2014 r.); 12 289 m (odwiert w Katarze z 2008 r.), 12 262 m (odwiert SG-3 na Płw. Kolskim z 1989 r.), kopalnie udostępniają skały do głębokości około 4000 metrów, 4000 metrów (kopalnia złota Mponeng w RPA; do niedawna najgłębszą kopalnią była TouTona też leżąca w RPA), temperatura na tej głębokości sięga powyżej 60ºC, w celu wydobycia surowca konieczne jest zastosowanie klimatyzacji. Najgłębsza kopalnia na świecie – Mponeng w RPA  Źródła wiedzy – badania pośrednie Jako podstawowe źródło informacji pozostają zatem pośrednie badania geofizyczne, polegające głównie na badaniu przebiegu fal sejsmicznych oraz w mniejszym stopniu na badaniu zróżnicowania pola grawitacyjnego i magnetycznego Ziemi, analizie przewodnictwa elektrycznego skał i innych właściwości fizycznych wnętrza naszej planety. Schemat badań dna morskiego metodami sejsmoakustycznymi, pozwalającymi śledzić przekrój warstw osadowych do około 2 km pod dnem morskim.  Rozchodzenie fal sejsmicznych w różnych ośrodkach Fale sejsmiczne wzbudzane są w wyniku trzęsień ziemi (lub sztucznie przez człowieka), powstaje zaburzenie równowagi Ziemi, która zachowuje się jak ciało sprężyste, skutkiem jest powstanie i rozchodzenie się dwóch rodzajów fal sejsmicznych: podłużnych (drgania rozchodzą się w tym samym kierunku), szybszych – które przechodząc przez ośrodki ciekłe załamują się i zmieniają nieco kierunek rozchodzenia; poprzecznych (drgania rozchodzą się prostopadle do kierunku ruchu fali), wolniejszych – które są wygaszane w ośrodkach ciekłych (jest nim jądro zewnętrzne). Po dotarciu fal podłużnych i poprzecznych do powierzchni Ziemi wzbudzane są fale powierzchniowe.  Fale sejsmiczne źródłem wiedzy o budowie Ziemi Rozchodzące się fale sejsmiczne na pewnych głębokościach, skokowo zmieniają swoje parametry (prędkość), ulegając dodatkowo załamaniu lub nawet odbiciu. Dzięki tym miejscom możemy określić budowę wnętrza Ziemi, wyszczególniając kolejne warstwy, zwane geosferami, rozdzielane przez powierzchnie nieciągłości, gdzie właśnie to zjawisko się objawia. Powierzchnie nieciągłości często tworzone są przez stosunkowo cienkie warstwy Ziemi, w których następuje bardzo szybka zmiana ich parametrów. Geosfery (warstwy Ziemi) różnią się od siebie m.in. parametrami fizycznymi (temperaturą i ciśnieniem) oraz chemicznymi (składem chemicznym).  Skorupa ziemska Skorupa ziemska – wierzchnia, niejednorodna i najmniejsza objętościowo geosfera Ziemi (stanowi niecały 1% masy Ziemi), zbudowana ze wszystkich znanych pierwiastków chemicznych, czasem cennych i wykorzystanych gospodarczo. Dolną granicę wyznacza strefa nieciągłości Moho (Mohorovicicia), poniżej niej znajduje się już płaszcz ziemski. W jej obrębie znajdują się dwie mniejsze struktury, zróżnicowane pod względem zasięgu przestrzennego oraz rodzaju skał z których są zbudowane: skorupa kontynentalna, skorupa oceaniczna.  Skorupa ziemska – kontynentalna Skorupa kontynentalna – wierzchnia część Ziemi, zlokalizowana w obrębie kontynentów, ukształtowana w prekambrze (nawet 4,2 mld lat temu), o najmniejszej średniej gęstości skał (wynosi ona około 2,7 g/cm3), w obrębie której możemy wyróżnić dwie warstwy poczynając od góry: wierzchni kompleks skał osadowych, dolny kompleks krystaliczny (warstwa granitowa i bazaltowa). Nieciągłość Conrada kompleks skał osadowych warstwa granitowa kompleks krystaliczny warstwa bazaltowa Nieciągłość Moho  Skorupa ziemska – kontynentalna: skały osadowe Wierzchni kompleks skał osadowych – zbudowany jest ze skał osadowych o gęstości wynoszącej 2,0 – 2,4 g/cm3, zróżnicowany pod względem grubości: od 0 m (czyli brak), w obrębie mocno wypiętrzonych pasm górskich zbudowanych ze skał krystalicznych (odsłania się tu bezpośrednio na powierzchni leżący niżej dolny kompleks krystaliczny), do ponad 20 km pod osadowymi, fałdowymi strukturami górskimi. Kompleks skał osadowych  Skorupa ziemska – kontynentalna: skały krystaliczne Dolny kompleks krystaliczny – sięga najczęściej do głębokości 35-40 km, maksymalnie do niemal 80 km w rejonie Himalajów i dzieli się dalej na: warstwę granitową – zbudowaną ze skał o gęstości wynoszącej około 2,7–2,9 g/cm3, tworzą ją skały magmowe i metamorficzne zbliżone własnościami geofizycznymi do granitów, skały o odczynie kwaśnym, tj. granity, gnejsy i łupki krystaliczne, w składzie dominują: krzem (Si), glin (Al) i tlen (O), stąd jej dawna nazwa – sial, warstwę tę kończy (oddziela od leżącej niżej) strefa nieciągłości Conrada; warstwę bazaltową – zbudowaną ze skał o gęstości około 3,0–3,3 g/cm3, tworzą ją skały magmowe zbliżone własnościami geofizycznymi do bazaltów, skały o odczynie zasadowym, tj. gabra i bazalty, w składzie dominują: krzem (Si), magnez (Mg) i tlen (O), stąd dawna nazwa – sima.  Skorupa ziemska – oceaniczna Skorupa oceaniczna – o średniej gęstości skał wynoszącej około 3,0 g/cm 3 oraz miąższości wahającej się: od kilkuset metrów – w centralnych częściach grzbietów śródoceanicznych, do około 7-15 km – w brzeżnych strefach oceanów (przy kontynentach); tworzy się nieustannie w strefach ryftowych i zostaje przetapiana w strefach subdukcji – proces ten najczęściej nie przekracza 100-200 mln lat; cechuje się budową podobną (choć prostszą) do skorupy kontynentalnej, za wyjątkiem faktu, że bezpośrednio pod kompleksem skał osadowych zalega bazaltowa warstwa kompleksu krystalicznego, brak warstwy granitowej!  Płaszcz ziemski Płaszcz ziemski – jest najgrubszą warstwą obejmującą około 2/3 masy Ziemi (około 68%), wykazującą pewne cechy stanu skupienia ciekłego i znajdującą się pomiędzy: nieciągłością Moho (Mohorovičicia) – stanowi ona granicę ze skorupą ziemską, występuje na głębokości od kilkuset metrów do maksymalnie 80 km, nieciągłością Wiecherta-Gutenberga – stanowi ona granicę z jądrem ziemskim, występuje ona na głębokości około 2900 km (2883 km).  Płaszcz ziemski Płaszcz ziemski jest geosferą bardzo istotną z punktu widzenia sejsmiki. W wyniku konwekcji cieplnej, prowadzących do powstania prądów konwekcyjnych (zamkniętego obiegu ciepła w płaszczu), następuje ruch materii skutkujący występowaniem na powierzchni Ziemi, m.in. trzęsień ziemi, ruchów górotwórczych oraz wulkanizmu. Jest to także główna przyczyna wędrówki kontynentów. Zjawisko konwekcji w płaszczu ziemskim  Płaszcz ziemski – podział starszy Płaszcz ziemski dzieli się zgodnie ze starszym podziałem na dwie części: płaszcz górny – sięgający do głębokości ok. 650-700 km (do nieciągłości Repettiego), w składzie dominują: chrom (Cr), żelazo (Fe), krzem (Si) i magnez (Mg) – crofesima; płaszcz dolny – sięgający do głębokości ok. 2900 km (do nieciągłości Wiecherta-Gutenberga), w składzie dominują: nikiel (Ni), żelazo (Fe), krzem (Si) i magnez (Mg) – nifesima.  Płaszcz ziemski – podział aktualny Płaszcz ziemski dzieli się zgodnie z nowszymi podziałami na trzy części: warstwę perydotytową – będącą dość sztywną strukturą skalną, sięgającą do około 200 km (górna część płaszcza górnego) w głąb Ziemi (w obrębie młodych orogenów), o gęstości skał wynoszącej 3,4 g/cm3, wraz ze skorupą ziemską tworzy litosferę, dzielącą się na będące w ciągłym ruchu płyty tektoniczne, astenosferę – sięgającą do głębokości około 400 km, wykazuje ona cechy ciała plastycznego – jest to warstwa półpłynna, podatna na deformacje, co wynika głównie z faktu, iż cechuje się stosunkowo wysoką temperaturą (w stosunku do głębokości), która jest bardzo bliska temperaturze topnienia skał, mezosferę – jest nieco bardziej sztywną warstwą od astenosfery (wykazuje jednak także cechy ciała plastycznego – szczególnie w dłuższym okresie czasu), ze względu na jej znaczne rozmiary (obejmuje dolną część płaszcza górnego i całość płaszcza dolnego) następuje wzrost temperatury wraz z głębokością do około 4 000°C w jej dolnej części.  Jądro ziemskie (barysfera) Jądro Ziemi (barysfera) – jest warstwą obejmującą około 31% masy Ziemi, znajdującą się poniżej nieciągłości Wiecherta-Gutenberga; w składzie dominują: nikiel (Ni) i żelazo (Fe) – stąd jego dawna nazwa – nife. W jego obrębie możemy wyróżnić dwie odmienne części: jądro zewnętrzne – będące w stanie ciekłym (zanikają fale poprzeczne), w jego obrębie występują prądy konwekcyjne, przyczyniające się do powstania ziemskiego pola magnetycznego, sięga do głębokości wynoszącej około 5140 km (do nieciągłości Lehmana); jądro wewnętrzne – będące w stanie stałym, sięgające do wnętrza Ziemi, znajdującego się na głębokości 6371 km, temperatura wynosi tu około 6000°C, ciśnienie sięga ok. 400 GPa, gęstość przekracza 17 g/cm3.  Właściwości fizyczne wnętrza Ziemi Wraz z głębokością Ziemi obserwujemy wzrost ciśnienia, gęstości i temperatury. Ocenia się, że na głębokości około 2 000 km ciśnienie jest już prawie milion razy większe niż ciśnienie atmosferyczne. W samym środku Ziemi wynosi ono około 400 GPa i tym samy jest nawet 3,5-4 mln razy większe od ciśnienia atmosferycznego. Znaczne różnice z gęstości poszczególnych warstw Ziemi wynikają z ich właściwości, składu i budowy – najlepiej widać to w przypadku jądra zewnętrznego, będącego w stanie ciekłym i jądra wewnętrznego, które wskutek olbrzymiego ciśnienia tam panującego jest już w stanie stałym.  Skład chemiczny wnętrza Ziemi Skład chemiczny Ziemi zmienia się wraz z WARSTWA ZIEMI PIERWIASTEK CHEMICZNY głębokością i kolejnymi warstwami: tlen (O) – 47,00 w skorupie ziemskiej prócz tlenu (jego krzem (Si) – 29,50 stężenie szybko zmniejsza się wraz z glin (Al) – 8,05 głębokością), występuje także w skorupa żelazo (Fe) – 4,65 przypadku: ziemska wapń (Ca) – 2,96 skorupy kontynentalnej: krzem i glin (do sód (Na) – 2,50 potas (K) – 2,50 dnia dzisiejszego nazywa się czasem tą magnez (Mg) – 1,87 warstwę jako sial), skorupy oceanicznej: krzem i magnez chrom (Cr), (dawna nazwa – sima); płaszcz żelazo (Fe), w płaszczu górnym przeważa: chrom, górny krzem (Si), żelazo, krzem i magnez (stąd dawna magnez (Mg) płaszcz ziemski nazwa – crofesima); niklu (Ni), w płaszczu dolnym występuje głównie: płaszcz żelaza (Fe), nikiel, żelazo, krzem i magnez (nifesima); dolny krzemu (Si), w jądrze ziemskim znajdziemy przede magnezu (Mg) wszystkim: nikiel i żelazo (nife). nikiel (Ni), żelazo (Fe), jądro z domieszkami: ziemskie tlenu, siarki, krzemu, potasu.  Stopień i gradient geotermiczny Stopień geotermiczny – liczba metrów, o którą należy się przesunąć w głąb Ziemi, aby temperatura wzrosła o 1°C. Dla naszej planety wynosi on około 33 m (przynajmniej do głębokości około 100 km – ponieważ później wzrost temperatury jest już wolniejszy), czyli wzrost temperatury wynoszący 1°C następuje co każde 33 m. Wartość stopnia geotermicznego zależy od bardzo wielu parametrów, np.: budowy geologicznej, i tak: w strukturach młodych jest na ogół niższy niż średni naszej planety, np. młodych pasmach fałdowych oraz na obszarach czynnego wulkanizmu; w strukturach starszych jest zwykle wyższy, np. na terenach starych struktur prekambryjskich (w obrębie tarcz krystalicznych). Na obszarze Polski średnia wartość stopnia geotermicznego wynosi około 47 m. Gradient geotermiczny – liczba o jaką wzrośnie temperatura w °C na odcinku wynoszącym 1 m (w praktyce najczęściej stosuje się większą wartość – 100 m). Średnia wartość gradientu geotermicznego wynosi około 3,1°C.  Zadanie Oblicz temperaturę w kopalni rud miedzi „Rudna” na głębokości około 550 m przyjmując, że: wartość stopnia geotermicznego w rejonie kopalni wynosi 46,6 m/1°C, wysokość średniej rocznej temperatury powietrza w rejonie kopalni wynosi około 8,5°C, roczne zmiany temperatury powietrza sięgają do głębokości 20 m; na tej głębokości temperatura gruntu jest stała i wynosi tyle, ile średnia roczna temperatura powietrza na powierzchni. Dane: Szukane: ……………………… ……………………… ……………………… ……………………… Obliczenia: ……………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………. Odpowiedź: Temperatura w kopalni „Rudna” na głębokości 550 m wynosi przez cały rok … °C.  Zadanie - odpowiedź Oblicz temperaturę w kopalni rud miedzi „Rudna” na głębokości około 550 m przyjmując, że: wartość stopnia geotermicznego w rejonie kopalni wynosi 46,6 m/1°C, wysokość średniej rocznej temperatury powietrza w rejonie kopalni wynosi około 8,5°C, roczne zmiany temperatury powietrza sięgają do głębokości 20 m; na tej głębokości temperatura gruntu jest stała i wynosi tyle, ile średnia roczna temperatura powietrza na powierzchni. Dane: Szukane: średnia roczna temp. na Dolnym Śląsku T=8,5°C temp. w kopalni „Rudna” stopień geotermiczny w rejonie kopalni „Rudna” = 46,6 m/1°C T=? głębokość do której następują zmiany temp. h = 20 m Obliczenia: 1. Wzrost temperatury wraz z głębokością dotyczy warstwy: 550 m – 20 m = 530 m; 2. Wzrost temperatury gruntu w tej warstwie obliczamy z proporcji: 𝟒𝟔, 𝟔 𝒎 − 𝟏°𝑪 𝟓𝟑𝟎 𝒎 − 𝒙°𝑪 𝟓𝟑𝟎 𝒎 ×𝟏°𝑪 𝒙°𝑪 = 𝟒𝟔,𝟔 𝒎 = 𝟏𝟏, 𝟒°𝑪 3. Obliczamy temperaturę w kopalni na głębokości 550 m: 8,5°C + 11,4°C = 19,9°C. Odpowiedź: Temperatura w kopalni „Rudna” na głębokości 550 m wynosi przez cały rok 19,9°C.  Materiały pomocnicze do nauki Opracowane w celach edukacyjnych (niekomercyjnych) Opracowanie i redakcja: Sławomir Dmowski Kontakt: [email protected] WSZELKIE PRAWA ZASTRZEŻONE - KOPIOWANIE ZABRONIONE -