شناخت زمین و لایه های آن

ساختار درونی زمین:

پدید آمدن زلزله های اخیر که حاصل جابجایی در پوسته زمین است، و انفجار مواد مذاب از یک آتشفشان فعال، تنها نمایشگر قسمتهای پایانی از یک پروسه طولانی است که ساختار کنونی کره زمین را بوجود آورده است. پدیده­های زمین شناسی که در داخل زمین اتفاق می­افتند تنها در سایه توجه به تاریخچه کره زمین و نحوه تغییرات آن در طول سالیان کهن قابل شناخت است.در ابتدای پیدایش کره زمین، بدلیل بالا بودن دمای آن، تمام مواد تشکیل دهنده آن بصورت مذاب بودند که به دلیل تفاوت در وزن و چگالی این مواد، سه لایه اصلی در سطح زمین پدید آمده است. این تقسیم بندی بر اساس تفاوت خصوصیات شیمیایی مواد تشکیل دهنده آن قابل تشخیص است:

1- پوسته:

پوسته کره زمین لایه نسبتا کم عمقی است که این لایه سنگی سطحی، به دو نوع کلی تحت عنوان پوسته قاره­ای و پوسته اقیانوسی طبقه­بندی می­شود. پوسته اقیانوسی حدود 7 کیلومتر ضخامت داشته و از سنگهای آذرینی تحت عنوان "بازالت" تشکیل شده است. در مقابل ، پوسته قاره ای دارای ضخامت متوسط 35-40 کیلومتر است ولی در برخی مناطق کوهستانی ممکن است از 70 کیلومتر نیز تجاوز نماید. برخلاف پوسته اقیانوسی، که از مواد شیمیایی یکنواختی تشکیل شده است، پوسته قاره­ای شامل انواع مختلفی از سنگها می­باشد. قسمت فوقانی پوسته قاره­ای از سنگهای گرانیتی تشکیل شده، در حالی که قسمت تحتانی آن شبیه بازالت است.

2- گوشته:

بیش از 82% از حجم زمین در گوشته قرار دارد که یک ورقه جامد و سنگی را تا عمق 2900 کیلومتری تشکیل می­دهد. مرز بین پوسته و گوشته، تفاوت فاحشی را در مشخصات شیمیایی نشان می­دهد.

3- هسته :

تصور می­شود که ترکیب اصلی هسته از آلیاژ آهن- نیکل با مقادیر کمی از اکسیژن، سیلیکون و سولفور باشد. به دلیل فشار زیاد در هسته مواد تشکیل دهنده آن دارای چگالی بالایی حدود 14 برابر چگالی آب در سطح زمین هستند. مشخصه داخل کره زمین افزایش تدریجی دما، فشار و چگالی مواد تشکیل دهنده با افزایش عمق است. برآورد می­شود که دما در عمق 100 کیلومتری بین 1200 تا 1400 درجه سانتیگراد باشد، درحالی که دما در مرکز کره زمین ممکن است از 6700 درجه سانتیگراد نیز تجاوز نماید. افزایش تدریجی در دما و فشار با عمق، مشخصات فیزیکی و در نتیجه رفتار مکانیکی مواد تشکیل دهنده زمین را تحت تاثیر قرار می­دهد. وقتی ماده­ای تحت گرما قرار می­گیرد، اتصالات شیمیایی آن ضعیف شده و مقاومت مکانیکی آن کاهش می­یابد و درصورتی که دما از نقطه ذوب ماده مورد نظر فراتر رود اتصالات شیمیایی شکسته شده و پدیده ذوب اتفاق می­افتد. اگر دما تنها معیار تعیین کننده ذوب مواد بود در این صورت باید کره زمین تبدیل به یک توپ مذاب با یک پوسته نازک جامد می­شد. درحالی که فشار نیز با عمق افزایش می­یابد و تمایل دارد که مقاومت سنگ­ها را افزایش دهد.

بر اساس مشخصات فیزیکی و مقاومت مکانیکی میتوان زمین را به 5 لایه مختلف تقسیم بندی نمود:

لیتوسفر ، استنوسفر، مزوسفر یا گوشته پایینی، هسته بیرونی و هسته درونی.

لیتوسفر(سنگ کره):

بر اساس مشخصات فیزیکی، لایه بیرونی کره زمین شامل پوسته و لایه خارجی گوشته است که تشکیل دهنده یک لایه نسبتا سرد و صلب می باشند درحالی که این لایه­ها از مواد متفاوت شیمیایی تشکیل شده است، ولی به لیل سرد بودن و مقاوم بودن رفتار واحدی را از خود نشان می­دهد.لیتوسفر در قسمت قاره­ای بطور متوسط 100 کیلومتر ضخامت دارد ولی ممکن است به بیش از 250 کیلومتر در زیر قسمتهای قدیمی قاره­ها برسد. در زیر اقیانوسها ضخامت لیتوسفر از چند کیلومتر در قسمت رشته کوه های اقیانوسی تا حدود 100 کیلومتر در قسمتهای قدیمی­تر و سردتر پوسته اقیانوسی می­رسد.

استنوسفر:

در زیر لیتوسفر و در قسمت فوقانی گوشته، تا عمق 660 کیلومتر، یک لایه نرم و نسبتا ضعیف قرار دارد که به عنوان استنوسفر شناخته می­شود. قسمت بالای استنوسفر دارای چنان دما و فشاری است که منجر به ذوب بسیار اندکی از این لایه ­می­شود. در برابر این ناحیه ضعیف، لیتوسفر جدا از لایه زیرین خود است و نتیجه این جدا بودن حرکت مستقل لیتوسفر نسبت به استنوسفر است.

مزوسفر یا گوشته پایینی:

زیر ناحیه ضعیف استنوسفر، افزایش فشار اثر دمای بالا را خنثی کرده و سنگها تا حدودی با افزایش عمق مقاومتر می­شوند. در عمق 660 کیلومتر تا 2900 کیلومتر یک لایه صلب­تر به نام مزوسفر ( کره میانی ) یا گوشته پایینی یافت می­شود. برخلاف مقاومت آنها، سنگهای مزوسفر همچنان گرم بوده و توانایی جریان یافتن را دارا می­باشند.

هسته داخلی و خارجی:

هسته که تشکیل یافته از آلیاژ آهن - نیکل می­باشد، به دو لایه تقسیم می­شود که مقاومت مکانیکی کاملا متفاوتی را نشان می­دهند. هسته خارجی یک لایه مایع به ضخامت 2270 کیلومتر می­باشد. ثابت شده است که جریان آهن مذاب در این لایه باعث ایجاد میدان مغناطیسی در کره زمین است. هسته داخلی یک کره به شعاع 3486 کیومتر است. برخلاف دمای بالاتر هسته داخلی، مواد تشکیل دهنده آن مقاوم تر هستند.

زمین پویا:

زمین یک کره متحرک است! اگر ما بتوانیم صد میلیون سال به عقب برگردیم، چهره زمین را با آنچه که امروز می­بینیم کاملا متفاوت خواهیم یافت. هیچ اثری از کوههای آلپ یا خلیج مکزیک نخواهد بود، در عوض قاره­هایی در ابعاد، اشکال و موقعیتهای متفاوتی خواهیم یافت. بر خلاف زمین در چند میلیارد سال گذشته هیچ تغیر اساسی در سطح کره ماه به وجود نیامده است (فقط چند گودال اضافه شده است).

تئوری صفحه زمین ساخت:

در طول چند دهه اخیر درباره کره متغیرمان مطالب بسیار زیادی آموخته­ایم. در این مدت تحولی عظیم در فهم ما از زمین بوجود آمده است. این تحول در ابتدای قرن بیستم با ارائه پیشنهاد مربوط به جابه جایی قاره­ای- تئوری ای که بیان می­کند قاره­ها بر روی کره زمین حرکت می­کنند - آغاز گردید. این مطلب با فرض ثابت بودن قاره­ها و کف اقیانوسها که تا آن زمان مورد قبول بود در تضاد اساسی قرار داشت و به همین دلیل نیز 50 سال طول کشید تا داده کافی برای اثبات این نظریه جمع آوری شود.بر اساس تئوری صفحه زمینساخت، پوسته خارجی صلب زمین (لیتوسفر) به تکه­های متعددی شکسته شده است که هرکدام از آنها صفحه(Plate) نام دارند که در حال حرکت بوده و بصورت بی­وقفه تغییر شکل و اندازه می­دهند. همانگونه که در شکل 1 و شکل 2 مشاهده می­شود، هفت صفحه اصلی در لیتوسفر شناخته شده است. این صفحات عبارتند از: آمریکای شمالی، آمریکای جنوبی، اقیانوسیه، آفریقا، اوروآسیا، استرالیا و قطب جنوب.

شکل 1: صفحات اصلی سازنده سطح کره زمین

شکل 2: صفحات اصلی سازنده سطح کره زمین

صفحات با ابعاد متوسط مانند کاراییب، نازکا، فیلیپین، عربی، کوکوس و صفحه اسکاتیا هستند و علاوه بر آنها صفحات متعددی با ابعاد کوچکتر شناخته شده است. توجه نمایید که یک صفحه بزرگ ممکن است شامل یک قاره کامل و سطح بزرگی از کف دریا باشد (مانند صفحه آمریکای جنوبی). در حالی که هیچ صفحه­ای دقیقا بر اساس مرز یک قاره شناخته نشده است.صفحات سنگ کره با سرعت بسیار پایین ولی بطور مداوم نسبت به هم درحال حرکت هستند که بطور متوسط 5 سانتیمتر در سال است.
این حرکت به دلیل توزیع نامساوی حرارت در داخل کره زمین است. مواد داغ که در عمق گوشته قرار دارند، به آرامی به سوی بالا حرکت می­کنند و به عنوان یکی از سیستمهای همرفت درونی سیاره عمل می­نمایند. همزمان، قطعات سردتر و چگالتر سنگ­کره در داخل گوشته فرو می­روند. درنهایت حرکت عظیم و کند صفحات سنگ کره منجر به ایجاد زمین لرزه­ها، آتشفشانها و تغییر شکل توده­های بزرگ سنگی به صورت کوه­ها می­گردد.
پدیده همرفت در داخل کره زمین همانند جریان همرفتی است که وقتی کتری پر از آب بر روی آتش قرار داده می­شود در آن اتفاق می­افتد. آب قسمت تحتانی آب قبل از قسمتهای دیگر گرم شده و در اثر انبساط چگالی آن کاهش می­یابد و این باعث جریان یافتن آب به سمت بالا شده و همزمان آب نسبتا سردتر از سطح آب به سمت کف کتری حرکت کرده و آب سرد و گرم جایگزین یکدیگر می­گردد.

مرز صفحات:

صفحات تشکیل دهنده سنگ کره بصورت یک توده بهم چسبیده، نسبت به یکدیگر در حال حرکت هستند. با وجود اینکه قسمتهای داخلی صفحات ممکن است متحمل مقداری تغییر شکل گردند، ولی تمام اندرکنشهای اصلی بین صفحات جداگانه، در طول مرز بین آنها اتفاق می­افتد. در حقیقت تلاشهای اولیه برای مشخص کردن مرز بین صفحات بر اساس محل وقوع زمین لرزه­ها بود. صفحات در مرزها سه رفتار کلی نسبت به هم دارند:

1- مرزهای دورشونده:

جایی که صفحات در نتیجه بالا آمدن مواد از گوشته از هم دور می­شوند و بستر جدیدی در اقیانوسها ساخته می­شود. جداشدگی صفحات، غالبا در رشته­کوههای میان اقیانوسی رخ می­دهد. شکافهای ایجاد شده در اثر دور شدن صفحات، بلافاصله با سنگهای مذاب که از استنوسفر بالا می­آید، پرمی­شوند. این مواد گرم، به آرامی سرد شده و بستر جدید اقیانوسی را تشکیل می­دهند. این پدیده میلیونها سال بطور مداوم تکرار می­شود و بدین ترتیب هزاران کیلومتر مکعب بستر جدید ایجاد می­گردد.این مکانیزم کف اقیانوس اطلس را در 160 میلیون سال گذشته پدید آورده است که به این پدیده "گسترش بستر دریا" اطلاق می­شود. سرعت بستر سازی در قسمتهای مختلف متفاوت است.
این سرعت از 5/2 سانتیمتر در سال در اطلس شمالی تا 20 سانتیمتر در سال در قسمت شرقی اقیانوس آرام متغیر است. با اینکه بیشترین نرخ بستر سازی در مقیاس تاریخ بشر بسیار کند است، ولی کمترین نرخ تولید سنگ­کره به اندازه کافی سریع است که در طول 200 میلیون سال گذشته بستر تمام اقیانوسهای زمین را ایجاد کرده باشد. در حقیقت بستر تمام اقیانوسها که تعیین عمر شده­اند از 180 میلیون سال تجاوز نمی­کند.

شکل 3: مرزهای واگرا در محل رشته­کوههای اقیانوسی

شکل 4: تولید بستر اقیانوسی در مرزهای واگر

شکل 5: نحوه بالا آمدن سنگهای مذاب در مرزهای واگرا و تشکیل بستر جدید

2- مرزهای همگرا:

در این نواحی، صفحات به سوی هم حرکت می­کنند و در نتیجه پدیده فرونشست پوسته اقیانوسی در گوشته اتفاق می­افتد. همگرایی ممکن است در مرز تصادم دو پوسته قاره­ای نیز اتفاق بیفتد و باعث ایجاد سامانه­های کوهستانی گردد.درحالی که پوسته جدید در رشته­کوههای اقیانوسی اضافه می­شوند، سیاره زمین بزرگتر نمی­شود و مساحت سطحی آن همواره مقدار ثابتی باقی می­ماند. برای جادادن به پوسته تازه ایجاد شده، پوسته قدیمی اقیانوسی در طول مرزهای همگرا دوباره به گوشته بازمی­گردد. وقتی دو صفحه به هم می­رسند، یکی از صفحات به زیر صفحه دیگر خم شده و به زیر آن می­لغزد. حاشیه­هایی از صفحات که پوسته اقیانوسی در حالا از بین رفتن است به نام "مناطق فرورانش" شناخته می­شوند. در این مناطق صفحه فرورفته درحال حرکت به سمت پایین، وارد محیط با دما و فشار بالا می­شود. مقداری از مواد فرو رفته و نیز مقدار بیشتری از استنوسفر که در بالای صفحه فرورفته قرار می­گیرد، ذوب شده و به سوی بالا حرکت می­کند.
بندرت این سنگ مذاب ممکن است که به سطح زمین برسد و انفجارات آتشفشانی را ایجاد نماید. بهرحال بیشتر این مواد مذاب به سطح زمین نمی­رسد و در همان عمق جامد شده و به ضخیمتر شدن پوسته می­انجامند (شکل 6).

شکل 6: مرزهای همگرا و ناحیه فرورانش

3- مرزهای گسل امتدادلغز:

مرزهایی هستند که در آنها صفحات بصورت سایشی از کنار هم عبور می­کنند و هیچگونه فرسایشی در مرزها ایجاد نشده و پوسته جدیدی تولید و پوسته قدیمی نابود نمی­شود. این گسلها در جهت حرکت صفحات ایجاد شده برای اولین بار در امتداد رشته­کوههای اقیانوسی یافت شدند. با وجود اینکه بیشتر گسلهای امتداد­لغز در طول رشته کوههای اقیانوسی قرار گرفته اند، تعدادی نیز در داخل قاره­ها وجود دارند. دو مثال از این گسلها، گسل سن­آندریاس در کالیفرنیا و گسل آلپین در زلاندنو می­باشد. در طول گسل سن آندریاس، صفحه "آرام" درحال حرکت به سمت شمال غربی نسبت به صفحه مجاور (صفحه آمریکای شمالی) است. حرکت درطول این مرز ناشناخته نمانده است، چرا که این حرکت باعث ایجاد کرنش در سنگهای دو سمت گسل می­گردد وگاهی سنگها, انرژی ذخیره شده را بصورت زلزله­های بزرگی رها می­کنند، مانند زلزله سال 1906 که سان فرانسیسکو را ویران کرد.

شکل 7: مرزهای امتداد لغز و امتداد گسل ایجاد شده

تغییر شکل پوسته ای:

همانگونه که بیان شد، کره زمین یک سیاره پویا است که مواردی از قبیل هوازدگی، رانش زمین، و فرسایش توسط آب، باد و یخ بصورت مداوم چهره آن را تغییر می دهد. علاوه بر این نیروهای تکتونیکی (زمینساخت صفحه­ای) باعث تغییر در سنگهای پوسته زمین می شوند. با هر گامی که بر روی سطح زمین می­نهیم باعث ایجاد تغییر شکل در سطح خاک می شویم و پس از عبور ما، خاک به حالت اولیه خود بازمی­گردد، اما این تغییر شکل ها آنچنان اندک است که معمولا متوجه آن نمی شویم. این تغییر شکل ها در اثر نیروی محدودی است که به دلیل وزن ما به سطح زمین وارد می شود. اگر این نیرو زیاد باشد می تواند اثرات کاملا مشهودی ایجاد نماید. در این بخش به عوامل ایجاد تغییر شکل ها و نیز مکانیزم های تغییر شکل در اجسام و نیز پوسته زمین می­پردازیم.

نیرو:

نیرو آن چیزی است که اجسام ثابت را به حرکت درمی­آورد و یا نحوه حرکت اجسام متحرک را تغییر می دهد. از تجربیات روزانه می­دانیم که اگر دری بسته (ساکن) باشد، باید به آن نیرو وارد کنیم تا باز شود (حرکت).

تنش:

تنش مقدار نیرویی است که به واحد سطح وارد می شود. مقدار تنش به تنهایی تابعی از مقدار نیروی وارده نیست و به سطحی که نیرو به آن وارد می شود نیز وابسته می باشد. برای مثال اگر پای برهنه در حال راه رفتن بر روی سطح سختی باشید نیرو (وزن بدن شما) در سطح کف پای شما پخش می شود، لذا نیرویی که به هر نقطه از کف پای شما وارد می­شود کم است. اما اگر بر روی یک سنگ نوک تیز پا بگذارید، تمرکز تنش بر روی نقطه ای از کف پای شما بسیار زیاد خواهد شد. درواقع می توانید تنش را از میزان تمرکز نیرو بر روی سطح متصور شوید.

انواع تنش:

بر اساس جهت های مختلف نیروهای وارده، تنش های مختلفی ایجاد می­شود. بصورت خلاصه این تنشها عبارتند از:

1- تنش فشاری:

در صورتی که نیروهای وارده باعث فشرده شدن جسم شوند تنش فشاری بوجود می آید. تنشهای فشاری تمایل دارند که صفحات سطح کره زمین را کوچکتر و ضخیمتر نمایند و این فرآیند با چین خوردگی و گسلش اتفاق می افتد.

جهت اعمال نیروهای فشاری که منجر به فشرده شدن و ضخیمتر شدن صفحات پوسته می شود.

تنش کششی :

در صورتی که تنش وارده تمایل به کشیدن توده سنگی ( و یا هر جسمی که به آن اعمال می شود ) داشته باشد تحت عنوان تنش کششی شناخته می­شود که باعث طویل تر شدن آنها می­گردد.

تنش برشی:

وقتی یک دسته کارت را بر روی زمین قرار دهید و با دست خود آنها را به جلو برانید نمونه ای از تنش برشی را بر آن ها وارد نموده اید. در صورتی که تنش برشی بر توده سنگها وارد گردد باعث لغزش صفحات در کنار یکدیگر می شود.

حال که با انواع عوامل ایجاد تغییر شکل آشنا شدیم، باید بدانیم که اجسام هم در مقابل عوامل تغییر شکل رفتارهای مختلفی از خود نشان می­دهند. سنگ کره هم از این قاعده جدا نیست و در مقابل تنشهای مختلفی که به آن وارد می­شود، به صورتهای زیر درمی آید:

عکس العمل سنگ کره به تنش فشاری در حالت شکننده (بالا) و در حالت شکلپذیر (پایین). این همان اتفاقی است که در مرزهای همگرا اتفاق می­افتد.

عکس العمل سنگ کره به تنش کشش در حالت شکننده (بالا) و در حالت شکلپذیر (پایین). این همان اتفاقی است که در مرزهای واگرا دیده می شود.

عکس العمل سنگ کره به تنش برشی در حالت شکننده (راست) و در حالت شکلپذیر (چپ). در مرزهای امتداد لغز شاهد چنین تغییر شکل هایی هستیم.