SEKRETY ZIEMI Najgłębsza kopalnia świata to Tau Tona sięgająca blisko 3,9 km w głąb Ziemi. Położona jest na wschód od Johannesburga stolicy RPA. Kopalnia Strasznego lwa jest kopalnią złota. SG3 (ros. Кольская сверхглубокая скважина) to, z kolei, najgłębszy odwiert na świecie. Jego wykonanie trwało niespełna 20 lat i zakończyło się na głębokości 12,262 km. Głębiej człowiekowi nie udało się, jak dotąd, dotrzeć. Promień Ziemi to, w przybliżeniu, 6371 km. Skąd więc wiemy co leży w sercu niebieskiej planety? Jak dotknąć jej wnętrza? rys.1. Ziemia Niebieska planeta Wiedza na temat budowy i właściwości wnętrza Ziemi jest bardzo fragmentaryczną, wszelkie informacje jakie posiadamy na jej temat nie są w żadnym wypadku wynikiem bezpośrednich obserwacji, a jedynie trafną interpretacją tego wszystkiego, co można zobaczyć na jej powierzchni. Skromny zasób badawczych technik instrumentalnych w znacznym stopniu hamował eskalację wiedzy o środku Ziemi. Dopiero wprowadzenie, w latach '70 i '80 naszego stulecia, nowych metod doświadczalnych oraz możliwości prowadzenia badań na szerszą, niż dotychczas, skalę stało się początkiem przełomu w naukach geologicznych. Najwięcej informacji o Ziemi dostarczają nam, jak dotąd, obserwacje (badanie) fal sejsmicznych i to zarówno tych naturalnych, wzbudzonych trzęsieniami ziemi, jak i sztucznymi, podziemnymi wybuchami. Rozkład prędkości fal sejsmicznych z głębokością ujawnił, już w 1910 roku, podstawowe cechy budowy Ziemi m.in. cały szereg granic oddzielających obszary o różnych własnościach mechanicznych. rys.2. Rozchodzenie się fal sejsmicznych.
Ziemia więc okazała się nie jednorodną kulą a strukturą bardziej przypominającą ciasto, Przekładaniec, w którym biszkopt przekładany jest na zmianę masą budyniową, galaretką i bitą śmietaną. Prędkość z jaką rozchodzą się fale sejsmiczne zleży przede wszystkim od gęstości, ściśliwości i sztywności skał we wnętrzu Ziemi. Analiza sejsmiczna umożliwia, w ogólności, określenie stanu skupienia konkretnej warstwy planety a niekiedy także jej składu. rys.3. Budowa wnętrza Ziemi. (http://www.mount.cad.pl/g/historia/prawa/karbon/astenosfera.htm) Najbardziej zewnętrzną warstwę Ziemi stanowi litosfera (z gr. lithos kamień), którą tworzą skorupa ziemska wraz z górną częścią płaszcza ziemskiego, oddzielone od siebie strefą nieciągłości Moho (od nazwiska serbskiego odkrywcy tejże strefy). Skorupa ziemska jest najbardziej zróżnicowaną, zarówno pod względem cech fizycznych jak i składu chemicznego, sferą Ziemi. Jej grubość, najmniejsza na obszarach przykrytych wodami oceanu, rozciąga się od kilku kilometrów do maksymalnie 80 km na obszarach kontynentalnych (Himalaje). Tworzą ją głównie skały osadowe (powstałe przez nagromadzenie się minerałów pochodzących z niszczenia innych skał, szczątków organizmów żywych, itp), a także skały kwaśne (granity, gnejsy) tworzące, z tymi pierwszymi, warstwę granitową jak również warstwa bazaltowa. Poniżej powierzchni Moho leży warstwa perydotytowa (górna część płaszcza ziemi), którą tworzy materia w stanie stałym o dużej gęstości (ok. 3,3 g/cm 3 ). Mniejsza prędkość fal sejsmicznych pod powierzchnią Moho wskazuje jednak na pewną elastyczność materii. Materia ta może uginać się lub podnosić w wyniku chociażby zmieniającego się obciążenia, mogą również zachodzić w niej powolne ruchy poziome. Ta najniższa, półplastyczna, warstwa płaszcza Ziemi to astenosfera (z gr. asthenos słaby), rozciągająca się maksymalnie do 400 km poniżej powierzchni Ziemi. To właśnie w astenosferze występują prądy konwekcyjne prowadzące do przemieszczania się magmy, jej podnoszenia się wyciekania przez skorupę ziemską a w konsekwencji dryftu kontynentów. Płaszcz Ziemi wraz z jego dolną częścią, mezosferą, obejmującą prawie 80% objętości kuli ziemskiej, rozciąga się do głębokości ok. 2900 km. W przybliżeniu na na takim poziomie znajduje się strefa nieciągłości Gutenberga oddzielająca płaszcz Ziemi od jej jądra. Obszar ten charakteryzuje skokowa zmiana prędkości fal sejsmicznych. Jądro zewnętrzne silnie tłumi poprzeczne fale sejsmiczne, ośrodek więc nie wykazuje sprężystości, a zachowuje się jak materia w stanie ciekłym, w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia. Wewnętrzną część jądra stanowi kula o promieniu ok. 1220 km zbudowana prawdopodobnie z żelaza w stanie stałym. Jądro to obraca się o ok 0,3 0 w ciągu roku szybciej niż płaszcz.
W każdej ze sfer Ziemi dochodzi do szeregu procesów fizycznych i chemicznych, które konsekwentnie kształtują (rzeźbią) powierzchnię Naszej Planety. Mimo tych zabiegów, z pozycji Wszechświata, postrzegana jest ona nadal jako niemal idealna kula, niczym ta do gry w kręgle. Zewnętrzną sferę Ziemi stanowi odporna na odkształcenia, sztywna, litosfera. Litosfera, jak już wiadomo, podzielona jest na współkształtne z powierzchnią Ziemi bloki płyty tektoniczne, obejmujące swoim zasięgiem zarówno kontynenty jak i dna oceaniczne. Głównych płyt tektonicznych jest siedem. Wśród nich: - płyta pacyficzna, - płyta północnoamerykańska, - płyta południowoamerykańska, - płyta euroazjatycka, - płyta afrykańska, - płyta indoaustralijska, - płyta antarktyczna. Wyróżniamy też szereg mniejszych płyt mikropłyt, tu: płyta Nazca, Kokosowa, Arabska, Karaibska, Perska itp. rys.4. Płyty tektoniczne Ziemi. (http://wiking.edu.pl/article) Przyglądając się poszczególnym kontynentom, zerkając na mapy w atlasie czy na globus, nachodzi nas nieodparte wrażenie, że kiedyś, dawno temu w przeszłości, stanowiły one jedną całość. A mamy praktycznie pewność, że tak jest porównując linie brzegowe Afryki i Ameryki Południowej. Patrząc na mapę, upewniamy się dowodnie, że Ameryka oderwała się od Starego Świata i że na całej swojej długości odpowiada doskonale zachodniej części naszego kontynentu, poprzez wybrzeża, które znajdują się naprzeciwko całej długości Europy i Afryki. Tak pisał w 1859 roku A. Snider w pracy zatytułowanej Stworzenie Świata i jego odsłonięte tajemnice [1]. Jednak już wiele lat wcześniej zauważono szczególne podobieństwo linii brzegowych zachodniej Afryki i wschodniego brzegu Ameryki Południowej. F. Bacon, angielski filozof z przełomu XVI i XVII wieku, stwierdził iż zbieżność taka nie może być zupełnie przypadkowa. Ówczesny stan wiedzy, nie dawał jednak cienia możliwości aby wyobrazić sobie mechanizm odpowiedzialny za to zjawisko. Do początków XIX wieku panowało błędne przekonanie iż rozpad Starego Świata miał miejsce podczas opisywanego przez Biblię w Księdze Rodzaju czterdziestodniowego potopu zesłanego przez Pana na ludzi. Niezależnie jednak od prekursorskich sugestii różnych uczonych, ta najbardziej dorzeczna z hipotez o rozpadzie i dryfie kontynentów pozostała nieznana do roku 1912. W roku tym nastąpiła publikacja prac niemieckiego meteorologa A. Wegenera, w których to przedstawiał on pełną argumentację (miejscami nieprawdziwą) tezy o ruchu kontynentów.
Wg Wegenera jeszcze 200 mln lat temu obszary lądowe tworzyły jeden superkontynent Pangeę oblany jednym oceanem Panthalassą. Kontynent ten rozpadł się początkowo na dwa bloki, północny Laurazję, złożoną z Ameryki Północnej, Europy i Azji oraz południowy Gondwanę w skład której wchodziły dzisiejsze Ameryka Południowa, Afryka, Antarktyda i Indie. Około 135 mln lat temu pojawił się grzbiet rozdzielający Amerykę i Afrykę, które zaczęły oddalać się od siebie. Afryka oddzieliła się od Antarktydy, podobnie i Indie, które przesuwając się ok 8000 km na północ, w zderzeniu z Azją stały się siłą sprawczą wypiętrzenia się Himalajów [2]. rys.5.teoria Wegenera ruchu płyt litosfery. (http://cmc-sarariba.blogspot.com/2009/10/la-teoria-de-la-deriva-continental-de.html) Teoria Wegenera dryfu kontynentów była wielokrotnie negowana i odrzucana przez konserwatywnych geologów. Sytuacja nie uległa zmianie do lat po II Wojnie Światowej, kiedy to rozwój technik i metodologii prowadzenia badań dał nowe instrumentarium penetracji dna oceanicznego oraz rejestrowania i analizy fal sejsmicznych. Do zgłębiania hipotez niemieckiego meteorologa zmusiły naukowców wyniki sondowania dna Atlantyku. Okazało się bowiem, że wzdłuż Grzbietu Śródatlantyckiego ciągnącego się przez ponad 19000 km przebiega dolina ryftowa o szerokości ok 50 km a głębokości od 1 do 2 km. Dwaj uczeni amerykańscy: Robert Dietz oraz Harry H. Hess niemal jednocześnie stwierdzili iż ryfty są wynikiem płynących we wnętrzu Ziemi prądów konwekcyjnych. Materia płaszcza ogrzana w głębi przez ciepło w znacznym stopniu pochodzące z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych a w mniejszym z jądra Ziemi, wznosi się w pewnych miejscach do podstawy skorupy Ziemi lub litosfery po czym rozpływa się równolegle do jej powierzchni. Blisko niej następuje obniżenie temperatury materii, która zstępuje w głąb zamykając komórkę konwekcyjną. W miejscu styku sąsiednich komórek konwekcyjnych występują silne naprężenia powodujące pęknięcia litosfery i wydzieranie się magmy wzdłuż szczeliny ciągnącej się niejednokrotnie wiele kilometrów. Lawa zastygając tworzy nowe fragmenty skorupy oceanicznej. Dno oceanu ulega rozrostowi, a Ziemia jako całość ekspansji. Krążące na poziomie astenosfery prądy konwekcyjne stanowią pośrednią przyczynę ruchu kontynentów.
rys.6. Przyrost skorupy w strefie rozrostu. rys.7. Najmłodsza skorupa znajduje się najbliżej osi grzbietu. (http://vulcanusfot.bloog.pl/) (http://geografia_liceum.republika.pl/geotektonika/geotektonika.html) Załóżmy jednak, za zwolennikami teorii dryfu kontynentów, że promień Ziemi przez ostatnie kilkaset milionów lat nie uległ zmianie. Musi zatem istnieć mechanizm, który kompensowałby przyrost skorupy ziemskiej w ryftach, tak by bilans przyrostu i niszczenia powłoki wynosił zero, a promień Ziemi pozostawał niezmieniony. Procesem, który prowadzi do niszczenia skorupy Ziemi jest subdukcja (z ang. subduction podsuwanie się). Polega on na podsuwaniu się jednej płyty, oceanicznej cięższej, pod drugą, lżejszą płytę, najczęściej typu kontynentalnego. Powstawanie stref subdukcji związane jest z koniecznością przełamania litosfery. Płyta najchętniej ulega przełamaniu w miejscu wypadkowym dla dwóch czynników. Po pierwsze w miejscu o najwyższej temperaturze, gdzie litosfera w wyniku częściowego roztopienia uległa osłabieniu (prądy konwekcyjne dają wyraźnie o sobie znać), po drugie w miejscu, gdzie jest najbardziej wychłodzona, czyli najcięższa. Przełamana płyta zaczyna zapadać się w płaszcz. W momencie gdy górna granica zapadającej się płyty znajduje się poniżej płyty będącej nad tą, płyta dolna zaczyna poruszać się ze strumieniem konwekcyjnym. Początkowo niewielkie nachylenie płyty pod wpływem jej siły ciężkości rośnie, rośnie też prędkość zapadania się kry oceanicznej, co prowadzi z kolei do przyspieszenia konwekcji. Zagięcie płyty dolnej, z czasem, odsuwa się od płyty górnej rezultatem czego pojawiają się siły rozciągające działające na płytę górną powodując powstanie w niej spękań ułatwiających przedostawanie się magmy do litosfery. Nic więc dziwnego, że strefę subdukcji charakteryzuje się silną aktywnością wulkaniczna i sejsmiczna. Dotarcie do strefy subdukcji młodszej, o mniejszej gęstości, skorupy oceanicznej może prowadzić do spowolnienia subdukcji, względnie do jej zatrzymania. Nachylenie płyty dolnej zmniejszy się, a na płycie górnej pojawią się siły ściskające [1]. rys.8. Strefa subdukcji. (http://vulcanusfot.bloog.pl/)
rys.9. Mechanizmy powodujące ruch litosfery. (http://geografia_liceum.republika.pl/geotektonika/geotektonika.html) Wyodrębnić można trzy typy stref subdukcji: - typ andyjski, w którym procesowi subdukcji towarzyszy powstawanie górotworów (orogenów kolizyjnych). Z powierzchni wciąganej pod krę kontynentalną, kry oceanicznej zdzierana jest wierzchnia warstwa osadów, a czasem i głębiej położona warstwa skał magmowych tworząca pryzmę akrecyjną. Stos osadów piętrzy się u czoła płyty górnej w postaci podłużnej łuski ułożonej równolegle względem powierzchni płyty dolnej. Przykładem strefy subdukcji typu andyjskiego jest Rów Atakamski, ciągnący się wzdłuż zachodniego brzegu Ameryki Południowej. Subdukcja prowadzi tam do stałego wypiętrzenia się Andów. - typ japoński, gdzie subdukcji towarzyszy wytworzenie się łuków wyspowych z basenem marginalnym. Układające się w łuk wyspy zbudowane są ze skał wulkanicznych jak np. Hawaje lub stanowią oderwany fragment kontynentu jak w przypadku Japonii, dla której basenem marginalnym jest morze japońskie. Wyspy Japońskie leżą na styku czterech płyt tektonicznych: wielkiej eurazjatyckiej, północnoamerykańskiej, przemieszczającej się w kierunku zachodnim (około 10 cm rocznie) płyty pacyficznej oraz mniejszej płyty filipińskiej. Jest to obszar o silnej aktywności wulkanicznej i sejsmicznej. - typ mariański tym różniący się od dwóch pierwszych, że kra oceaniczna jest wciągana pod inną krę oceaniczną. Jako przykład może tu posłużyć kolizja płyty pacyficznej i filipińskiej, której przejawem jest najgłębszy na świecie rów oceaniczny, Rów Mariański. Subdukcja w tej strefie przyczyniła się do powstania archipelagu wysp wulkanicznych w Mikronezji, w południowozachodniej części Oceanu Spokojnego. Do jakich procesów dochodziło, i dochodzi wciąż, we wnętrzu Ziemi w ciągu setek milionów lat można zobaczyć na dwa sposoby. Podziwiając piękno himalajskich szczytów czy rozkoszując się pięknem tropikalnych wysp albo też obserwując dymiące kratery wulkanów, popadające w ruinę, na skutek trzęsień ziemi, miasta czy obserwując w TV sięgające kilkudziesięciu metrów fale tsunami niszcząca i zabijająca wszystko, co zastanie na swojej drodze.
rys. 10. Mount Everest, Lhotse, Cho Oyu, Makalu. rys.11. http://www.g-a-b.pl/tropiki.htm. (http://www.goryonline.com/gory) rys.12. Ruiny stolicy Haiti. rys.13. Skutki Tsunami Indonezja.
Bibliografia: 1. L. Czechowski, Tektonika płyt i konwekcja w płaszczu Ziemi, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994, 2. Encyklopedia Fizyki Współczesnej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1983, 3. S. C. Singh, M. A. J. Taylor, J. P. Montagner, On the Presence of liquid in Earth s inner core, Science, vol. 287, March 2000, 4. Kenneth C. Creager, Inner core rotation rate from small scale heterogeneity and time varying travel times, Science, vol. 278, November 1997.