آشنایی با لایه های زمین و آنچه در دل زمین وجود دارد!

لایه های زمین به چهار بخش اصلی تقسیم شده است که شامل  پوسته ، گوشته ، هسته خارجی و هسته داخلی است.

هر لایه دارای ترکیب شیمیایی و حالت فیزیکی منحصر به فردی است که می تواند بر روی سطح زمین تأثیر بگذارد.

به عنوان مثال حرکت در گوشته زمین ناشی از تغییرات گرمایی هسته است که باعث تغییر صفحات شده و می تواند زمین لرزه و فوران آتشفشان ها را ایجاد کند. فیلم حرکت لایه های زمین روند حرکت لایه های زمین و زلزله را به خوبی نشان می دهد.

تحقیق درمورد لایه های زمین همچنان ادامه دارد و این خطرات طبیعی دیدگاه ما را نسبت به آنچه در سطح زمین می بینیم تغییر می دهند زیرا می توانند به شدت جان و مال ما را تهدید کنند. مشاهده انیمیشن لایه های درونی زمین راهی ساده برای درک بیشتر ساختار درون زمین است. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

تاریخچه کشف لایه های زمین

رشته کوهها تا آسمان بالا می روند و اقیانوس ها تا عمق ناممکن فرو می روند. سطح زمین یک مکان شگفت انگیز برای دیدن است. با این حال حتی عمیق ترین دره نیز تنها یک خراش کوچک بر روی کره زمین است. برای درک واقعی زمین ، شما باید ۶،۴۰۰ کیلومتر (۳۹۷۷ مایل) زیر زمین حرکت کنید و پوسته های مختلف زمین را ببینید. مبحث لایه های زمین علوم هشتم نیز به این مسئله پرداخته است. با ساخت کاردستی لایه های زمین نیز می توان به خوبی دانش آموزان را با آن‌ها آشنا کرد.

با شروع از مرکز زمین به طرف سطح چهار لایه مجزا وجود دارد آنها از عمق به سطح عبارتند از هسته داخلی ، هسته خارجی ، گوشته و پوسته . به جز پوسته ، هیچ کس تاکنون این لایه ها را شخصاً کشف نکرده است. در حقیقت ، عمیق ترین حفاری انسانی تاکنون چیزی بیش از ۱۲ کیلومتر (۷.۶ مایل) نبوده است و همین مقدار نیز  ۲۰ سال طول کشیده است!

دانشمندان چگونه به ویژگی های لایه های درونی زمین پی بردند؟

دانشمندان هنوز درباره ساختار درونی زمین اطلاعات زیادی ندارند. آنها  سعی می کنند  با مطالعه نحوه عبور امواج زلزله از درون زمین به سمت سطح اطلاعاتی در رابطه  با این پوسته ها کسب کنند. سرعت و رفتار این امواج با برخورد به لایه هایی با تراکم متفاوت تغییر می کند. دانشمندان – از جمله آیزاک نیوتون ، سه قرن پیش – از طریق محاسبات چگالی کل زمین در مورد هسته و گوشته ، نیروی جاذبه و میدان مغناطیسی زمین اطلاعاتی کسب کرده بودند.

لایه های زمین به ترتیب از داخل به خارج

هسته داخلی

شعاع این توپ جامد فلزی ۱۲۲۰ کیلومتر (۷۵۸ مایل) یا تقریباً سه چهارم ماه است و در حدود ۶،۴۰۰ تا ۵،۱۸۰ کیلومتری (۴،۰۰۰ تا ۳،۲۲۰ مایل) در زیر سطح زمین واقع شده است. بسیار متراکم  و بیشتر از آهن و نیکل ساخته شده است. هسته داخلی کمی سریعتر از بقیه کره زمین می چرخد. همچنین به شدت گرم است و دمای آن حدود ۵۴۰۰ درجه سانتی گراد (۹،۸۰۰ درجه فارنهایت) است که  تقریبا به اندازه دمای سطح خورشید است. فشارها در این لایه زیاد است و ۳ میلیون برابر بیشتر از سطح زمین است. برخی تحقیقات نشان می دهد ممکن است یک هسته درونی تر در دل این بخش وجود داشته باشد که احتمالاً به طور کامل از آهن تشکیل شده است.

هسته بیرونی

این قسمت از هسته نیز از آهن و نیکل ساخته شده است ولی به صورت مایع است و حدود ۵۱۸۰ تا ۲۸۸۰ کیلومتر (۳،۲۲۰ تا ۱۷۹۰ مایل) زیر سطح قرار دارد. این مایعات تا حد زیادی در اثر فروپاشی رادیواکتیو عناصر اورانیوم و توریم گرم می شود و در جریان های بزرگ و آشفته قرار می گیرد. این حرکت جریان های الکتریکی ایجاد می کند. آنها ، به نوبه خود ، میدان مغناطیسی زمین را تولید می کنند. به دلایلی که به نوعی به هسته خارجی مربوط می شود ، میدان مغناطیسی زمین تقریباً هر ۲۰۰۰۰۰ تا ۳۰۰،۰۰۰ سال معکوس می شود. دانشمندان هنوز در تلاشند تا بفهمند چگونه این اتفاق می افتد.

گوشته

با ضخامت نزدیک به ۳۰۰۰ کیلومتر (۱۸۶۵ مایل) این قسمت ضخیم ترین لایه زمین است و از ۳۰ کیلومتری (۱۸.۶ مایل) زیر سطح زمین شروع می شود. بیشتر از آهن ، منیزیم و سیلیکون ساخته می شود ، متراکم ، گرم و نیمه جامد است (چیزی شبیه آب نبات کاراملی است). مانند لایه زیر آن ، گوشته نیز حرکت می کند ولی با حرکتی کندتر.

نزدیک لبه های بالایی آن ، جایی در حدود ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلومتر (۶۲ تا ۱۲۴ مایل) زیر زمین ، دمای گوشته به نقطه ذوب سنگ می رسد. در واقع ، این لایه سنگ ذوب شده بخشی از گوشته است که به عنوان استنوسفر شناخته می شود. زمین شناسان معتقدند که این قسمت ضعیف ، گرم و لغزنده گوشته همان چیزی است که صفحات تکتونیکی زمین بر آن سوار می شوند و از روی آن می لغزند.

الماس ها تکه های کوچکی از گوشته زمین هستند که بیشتر آنها در اعماق بالای ۲۰۰ کیلومتر (۱۲۴ مایل) تشکیل می شوند. اما ممکن است الماس های “بسیار عمیق” نادر تا ۷۰۰ کیلومتر (۴۳۵ مایل) زیر سطح تشکیل شده باشند. این بلورها توسط  سنگ های آتشفشانی معروف به کیمبرلیت به سطح زمین آورده می شوند.

بیرونی ترین منطقه گوشته نسبتاً خنک و سفت و سخت است. بیشتر شبیه پوسته بالایی آن است. بالاترین قسمت از لایه گوشته و پوسته  زمین به عنوان لیتوسفر شناخته می شوند.

پوسته

پوسته زمین مانند پوسته تخم مرغ آب پز است. در مقایسه با آنچه در زیر آن قرار دارد بسیار نازک ، سرد و شکننده است. پوسته از عناصر نسبتاً سبک ، به ویژه سیلیس ، آلومینیوم و اکسیژن ساخته شده است. همچنین از نظر ضخامت بسیار متغیر است. در زیر اقیانوس ها (و جزایر هاوایی) ممکن است حدود ۵ کیلومتر (۳.۱ مایل) ضخامت داشته باشد. در زیر قاره ها ، پوسته ممکن است ۳۰ تا ۷۰ کیلومتر (۱۸.۶ تا ۴۳.۵ مایل) ضخامت داشته باشد.

همراه با ناحیه فوقانی گوشته ، پوسته زمین به قطعات بزرگ شکسته می شود اینها به صفحات تکتونیکی معروف هستند. این صفحات به آرامی حرکت می کنند – فقط با ۳ تا ۵ سانتی متر (۱.۲ تا ۲ اینچ) در سال. آنچه که باعث حرکت صفحات تکتونیکی می شود هنوز کاملاً شناخته نشده است. ممکن است مربوط به جریانهای همرفت گرمایی در زیر گوشته باشد. برخی از دانشمندان فکر می کنند که این حرکات ناشی از حرکت صفحات پوسته با تراکم های مختلف است. با گذشت زمان ، این صفحات جمع می شوند ، از هم جدا می شوند یا از کنار یکدیگر سر می خورند. این حرکات مسئول بیشتر زمین لرزه ها و آتشفشان هایی است که ما شاهد آن هستیم.

لایه های زمین بر اساس خواص فیزیکی

ساختار داخلی زمین به پوسته های متحدالمرکز تقسیم شده است: یک پوسته جامد سیلیکات خارجی ، یک استنوسفر بسیار چسبناک و گوشته جامد ، یک هسته بیرونی مایع که جریان آن میدان مغناطیسی زمین را تولید می کند و یک هسته داخلی جامد. درک علمی از ساختار داخلی زمین بر اساس مشاهدات توپوگرافی و باتیمتری ، مشاهدات سنگ در منشأ ، نمونه هایی که توسط آتشفشان ها یا فعالیت های آتشفشانی از اعماق به سطح زمین آورده شده ، تجزیه و تحلیل امواج لرزه ای که از زمین عبور می کنند ، اندازه گیری های میدان های گرانشی و مغناطیسی زمین و آزمایش مواد جامد بلوری در فشارها و دمای مشخص فضای داخلی عمق زمین صورت گرفته است.

زمین علاوه بر لایه های ترکیبی که در بالا توضیح داده شد ، بر اساس ویژگی های مکانیکی به لایه های دیگر نیز تقسیم می شود که در ادامه شرح داده می شود.

لیتوسفر

لیتوسفر خارجی ترین لایه زمین با ضخامت ۱۰۰ کیلومتر است و با خواص مکانیکی آن تعریف می شود. این لایه سفت و سخت شامل قسمت بالای شکننده گوشته و پوسته است. این لایه به ۱۵ صفحه تکتونیکی اصلی تقسیم شده است و در مرز این صفحات است که زمین لرزه ها و آتشفشان ها رخ می دهد. لیتوسفر شامل پوسته اقیانوسی و قاره ای است که از نظر سن و ضخامت در مکان ها و تاریخ زمین شناسی متفاوت است. لیتوسفر از نظر دما سردترین لایه کره زمین است و گرمای لایه های زیرین حرکات صفحات را ایجاد می کند. اصطلاح “لیتوسفر” را نباید با استفاده از “ژئوسفر” اشتباه گرفت ، که برای نشان دادن تمام سیستم های زمین از جمله جو ، هیدروسفر و زیست کره استفاده می شود.

استنوسفر

استنوسفر شامل قسمت فوقانی گوشته است که بسیار چسبناک و از نظر مکانیکی ضعیف می باشد. مرز لیتوسفر-آستنوسفر (LAB) جایی است که ژئوفیزیکدان ها تفاوت شکل پذیری را مشخص می کنند (اندازه گیری توانایی یک ماده جامد در تغییر شکل یا کشش تحت فشار) بین دو لایه.

این مرز در گوشته بالایی در ایزوترم ۱۳۰۰ سانتی گراد مشخص شده است. بالای ایزوترم گوشته به صورت سفت و سخت رفتار می کند و در زیر آن به صورت شکل پذیر است. این سنگهای شکل پذیر در قسمت فوقانی آدنوسفر هستند که تصور می شود در ناحیه ای قرار دارند که صفحات بزرگ سنگین و شکننده پوسته زمین بر روی آن حرکت می کنند. امواج لرزه ای در آستنوسفر نسبتاً آرام حرکت می کنند.

مزوسفر

مزوسفر به گوشته در منطقه زیر لیتوسفر و آستنوسفر اشاره دارد ، اما بالای هسته خارجی قرار گرفته است. مرز فوقانی به صورت افزایش شدید سرعت و چگالی موج لرزه ای در عمق ۶۶۰ کیلومتر (۴۱۰ مایل) تعریف شده است. این لایه را نباید با مزوسفر جو اشتباه گرفت.

لایه های زمین شناسی در ایران

از نظر تاریخچه دوره‌های زمین‌ شناسی  چند میلیون سال پیش همه خاک ایران زیر آب قرار داشته است و به تدریج بخش‌هایی از شمال و جنوب ایران از خاک بیرون آمدند. سپس در دوره دوم زمین ‌شناسی بخش شرقی ایران بیش از پیش زیر آب فرو می‌ رود. طی دوره سوم زمین شناسی جنوب ایران از زیر آب بیرون آمده و در شروع دوره چهارم زمین شناسی یخچال‌ های طبیعی بلندی‌ های البرز را در بر گرفتند که بعدها در نتیجه حرکت آنها  آبرفت‌ها و رسوبات بسیاری پدید آمدند.

زمین‌ شناسان بر این باورند که سرزمین ایران در بخش میانی کوه‌ زایی آلپ – هیمالیا قرار گرفته  است که از غرب اروپا آغاز شده و پس از گذر از ترکیه و ایران شاید تا نزدیکی‌ های برمه و اندونزی ادامه یابد.

لایه های زمین و دفینه

هنگام حفاری برای کشف دفینه شما در لایه اول با کوزه های شکسته مواجه می شوید. این کوزه ها هم به عنوان علامت و هم برای افزایش استحکام خاک استفاده می شود. پس از آن یک  لایه رس قرار دارد که بیشتر در مکانهای مرطوبت استفاده می شود و معمولا بعد آن ماسه بادی وجود دارد که باهم مخلوط شده اند. سپس به یک لایه سنگ چین می رسید که برای استحکام و جلوگیری از ریزش خاک سطح بالایی بکار می رفت ، معمولا بعد از سنگ چین آجر چین شروع می شود و بعد از یک لایه زغال وجود دارد که برای جلوگیری از رطوبت مورد استفاده قرار می گرفته است.

ضخامت لایه های زمین به ترتیب

از زمان شکل گیری زمین، عوامل مختلفی مانند زمین ساخت صفحه، فرسایش و فعالیت های آتشفشانی سطح و ساختار داخلی آن را تغییر داده اند. اگر زمین در زمان شکل گیری بسیار سردتر بود، احتمالاً فضای داخلی صلب تر و از نظر زمین شناسی کمتر فعال می شد و به طور بالقوه بر وضعیت فعلی آتشفشان ها، زلزله ها و ساختمان های کوهستانی تأثیر می گذاشت. زمین از لایه های مجزایی تشکیل شده است که هر کدام دارای خواص، چگالی و ضخامت خاص خود هستند.

لایه های زمین به طور قابل توجهی از نظر چگالی متفاوت هستند، چگالی ترین آنها هسته داخلی و کمترین چگالی پوسته است. گوشته ضخیم ترین لایه زمین است، در حالی که پوسته نازک ترین لایه زمین است. این تغییرات در چگالی و ضخامت برای درک ساختار و دینامیک زمین بسیار مهم است.

لایه های زمین شامل پوسته، گوشته، هسته بیرونی و هسته داخلی است که چگالی آن از ۲.۵ گرم بر سانتی متر مکعب در پوسته تا ۱۳.۱ گرم در سانتی متر مکعب در هسته داخلی است. گوشته ضخیم ترین و پوسته نازک ترین است. با گذشت زمان، لایه های زمین به دلیل فرآیندهای زمین شناسی تغییر کرده اند. از سطح به سمت داخل، این لایه ها عبارتند از:

پوسته: بیرونی ترین لایه که شامل پوسته قاره ای و پوسته اقیانوسی است. چگالی پوسته بین ۲.۵ تا ۳ g/cm³ متغیر است.

گوشته: در زیر پوسته، گوشته تا عمق حدود ۲۹۰۰ کیلومتری با چگالی از ۳.۳ گرم بر سانتی‌متر مربع در بالا تا ۵.۷ گرم بر سانتی‌متر مربع در پایین در نزدیکی مرز هسته و گوشته گسترش می‌یابد.

هسته بیرونی: یک لایه مایع که بیشتر از آهن و نیکل تشکیل شده است، چگالی آن بین ۹.۹ تا ۱۲.۲ گرم بر سانتی متر مکعب است.

هسته داخلی: درونی ترین لایه جامد، عمدتاً از آهن، با چگالی بین ۱۲.۸ تا ۱۳.۱ g/cm³.