Tajemnice wnętrza Ziemi

Napisane przez Amon w Listopad - 6 - 2017

Standardowy model Ziemi

Nasza obecna wiedza dotycząca wnętrza Ziemi jest bardzo nikła. Ziemia posiada promień około 6370 km, lecz najgłębszy otwór wiertniczy jaki kiedykolwiek został wykonany ma zaledwie 12 km. Aby ukazać obecne osiągnięcia ludzkości w innej perspektywie, zredukujmy rozmiar Ziemi do rozmiaru globusa o średnicy 50cm. W tej skali nasz odwiert ma głębokość niecałego milimetra, czyli odpowiada w swojej grubości cienkiej warstwie skóry, którą nałożylibyśmy na globus. Innymi słowy naukowcy tylko zadrapali powierzchnię Ziemi.

Niemniej jednak już ponad 100 lat temu, specjaliści w dziedzinie nauk o Ziemi złożyli w całość układankę przedstawiającą wnętrze Ziemi w oparciu o mgliste i rozbieżne dowody. Tak powstał znany powszechnie lity model Ziemi. Obecnie uznaje się, że wnętrze naszej planety zbudowane jest z kilku koncentrycznych sfer: zewnętrznej skorupy, rozciągającej się od powierzchni wgłąb Ziemi do około 7 km pod dnem oceanów i 35 km wgłąb pod kontynentami; tak zwanego płaszcza Ziemi, rozciągającego się na głębokość 2900 km; zewnętrznego jądra ciekłego żelaza dochodzącego do głębokości 5150 km; oraz z wewnętrznego jądra litego żelaza o promieniu około 1220 km.

Ilekroć na Ziemi występuje trzęsienie Ziemi, fale sejsmiczne rozchodzą się z ogniska trzęsienia we wszystkich kierunkach. Wyróżniamy trzy typy tych fal: fale powierzchniowe, fale wewnętrzne, oraz swobodne oscylacje (wibracje całej planety). Zamiast podróżować w prostych liniach, fale wewnętrzne rozpraszają się i załamują (wyginają), w zależności od gęstości, ciśnienia i elastyczności różnych warstw skalnych przez które przenikają. Na podstawie czasu, jaki upływa od momentu kiedy dana fala sejsmiczna zostaje wytworzona, aż do momentu gdy osiągnie dany obszar na powierzchni Ziemi, sejsmolodzy próbują zbadać drogę jaką pokonuje, zmiany w prędkości rozchodzenia się fali, różnice w głębokości jej propagacji (rozchodzenia się) i tym samym starają się określić gęstość i kompozycję warstw skalnych we wnętrzu Ziemi. Obecnie tego typu badania wykonuje się przy wykorzystaniu superkomputerów.

Ścieżki rozchodzenia się fal sejsmicznych są niezwykle skomplikowane; fale mogą bowiem być wielokrotnie załamywane lub rozpraszane. Dodatkowo na bardzo dużych głębokościach w związku z niejednorodnością warstw skalnych, ścieżki fal sejsmicznych mocno się komplikują. Ma to bezpośrednie przełożenie na rozrzut w czasach dotarcia fali do określonego punktu na powierzchni Ziemi. Różnice w czasach propagacji fal sięgają 10% dla tych samych warunków pomiaru.

Naukowcy nie potrafiliby nawet zinterpretować setek tysięcy sejsmicznych zapisów, gdyby nie fakt, że przyjęto za pewnik kilka przypuszczeń związanych z wnętrzem planety. Główne założenia głoszą, że wnętrze Ziemi składa się z jednolitej solidnej lub ciekłej fizycznej materii, a temperatura, ciśnienie i gęstość rosną wraz z głębokością. Te założenia stały się oczywiste.

Na pewnych głębokościach we wnętrzu Ziemi, fale sejsmiczne gwałtownie zmieniają swoją prędkość. Te miejsca nazwano strefami przejściowymi, które w obecnym modelu litej Ziemi wyznaczają granice pomiędzy kolejnymi warstwami wnętrza planety. Widoczna granica przebiega pomiędzy płaszczem a jądrem. Kolejna pomiędzy płaszczem a zewnętrzną skorupą (tzw. nieciągłość Mohorovica lub Moho), następna pomiędzy wewnętrznym, a zewnętrznym jądrem i ostatnia wewnątrz płaszcza na głębokości od 400 do 670 km. Jądro Ziemi „odkryto” w 1906 roku, a jego głębokość (około 2900 km) wyznaczono w roku 1914. Moho „odkryto” w 1909, wewnętrzne jądro w 1936, a nieciągłość w płaszczu planety w latach 1960.

Grubość skorupy waha się od 20 do 70 km pod kontynentami i od 5 do 15 km pod dnem oceanów. Uważa się, że skorupa kontynentalna składa się głównie z granitowych skał przeplatanych skałami osadowymi, podczas gdy skorupa oceaniczna to w głównej mierze bazalt. Na granicy Moho fale sejsmiczne gwałtownie zmieniają prędkość, ale nie ma obecnie jasnego wyjaśnienia tego zjawiska. Żaden odwiert nie dotarł bowiem do granicy Moho.

Uważa się, że wewnętrzne jądro składa się głównie z ciekłego żelaza a jądro wewnętrzne z żelaza litego. Rozumowanie w sprawie takiego poglądu jest następujące. Istnieją dwa główne typy fal sejsmicznych. Fale typu P (fale południkowe) i fale typu S (fale poprzeczne). Fale P mogą podróżować przez litą skałę, ciecze i gazy, podczas gdy fale S mogą rozchodzić się tylko w ośrodkach litych (ciał stałych). Fale sejsmiczne powstałe na skutek trzęsień ziemi nie docierają do pewnych obszarów na przeciwległej stronie globu. Fale typu P rozchodzą się tylko do 103 stopnia kątowego (około 11,500 km) od epicentrum, a powyżej 103 stopnia zanikają i nie są rejestrowane przez sejsmografy. Przy wartości kąta 142 stopni (około 15,500 km) od epicentrum fale te pojawiają się ponownie na wykresach. Region, w którym fale zanikają nazywany jest „Strefą Cienia”. Uważa się, że fale typu P zanikają w „strefie cienia”, z uwagi na to, że są załamywane przez jądro planety.

W przypadku fal typu S, „strefa cienia” jest dużo większa niż w przypadku fal P. Fale S nie są rejestrowane nigdzie indziej poza 103 stopniem kątowym od epicentrum trzęsienia ziemi. Oznacza to, że fale S nie potrafią przejść przez środek Ziemi, dlatego założono, że zewnętrzny obszar jądra jest ciekły, a przynajmniej zachowuje się jak ciecz – przez którą fale S nie potrafią przenikać. Z kolei fale P załamujące się w centrum planety mają świadczyć o istnieniu wewnętrznego litego żelaznego jądra.

Strefy rozchodzenia się fal P i S (oznaczono również „Strefy cienia”)

Sejsmolodzy czasami wysuwają odmienne wnioski na podstawie tego samego zestawu danych sejsmicznych. Dla przykładu, dwie grupy geofizyków stworzyły całkowicie odmienne obrazy granicy przebiegającej pomiędzy jądrem a płaszczem ziemskim. Rozbieżności dotyczyły ukształtowania granicy, która wg. naukowców charakteryzuje się występowaniem „gór” i „dolin” wysokich lub głębokich na 10 km. Dwie grupy badaczy użyły tego samego zestawu danych, ale różnych metod i równań związanych z ich przetwarzaniem. Sejsmolodzy mają również odmienne zdanie na temat szybkości rotacji wewnętrznego jądra. Niektórzy twierdzą, że obraca się ono szybciej niż reszta planety, inni twierdzą, że wolniej, a jeszcze inni, że jądro Ziemi rotuje z tą samą prędkością obrotową.

Coraz bardziej oczywiste staje się, że aktualny ziemski model nie jest pozbawiony wad, o czym mogą również świadczyć teorie związane z ruchem tektonicznym. Sztywna powłoka Ziemi – Litosfera – obejmująca skorupę i górne części płaszcza ziemskiego wg. naukowców podzielona jest na kilka „płyt” o różnych wielkościach, które poruszają się ponad warstwą stopionych skał, zwaną „Astenosferą”. Uważa się, że litosfera ma około 70 km grubości pod oceanami i 100 do 250 km grubości pod kontynentami. Mocnym wyzwaniem dla tego modelu jest jednak sejsmiczna tomografia, która pokazuje, że starsze fragmenty kontynentów rozciągają się wgłąb Ziemi nawet do 400 – 600 km, a Astenosfera jest pod nimi zasadniczo nieobecna. Badania sejsmiczne dowodzą ponadto, że nawet pod oceanami, astenosfera nie stanowi ciągłości a jedynie bezładne skupiska – w formie soczewek.

Im więcej uczymy się o skorupie i górnych warstwach płaszcza ziemskiego, tym bardziej model prezentowany w książkach geologicznych wydaje się nazbyt uproszczony i nierealistyczny. Zewnętrzne warstwy ziemi posiadają ogromną nieregularność i wielkie skomplikowanie. Stanowią swoistą mozaikę rozdzieloną uskokami. Obszary te zawierają skały o różnych wielkościach i kształtach, a także o różnej wewnętrznej strukturze i wytrzymałości. Ten fakt, w połączeniu z istnieniem głębokich kontynentalnych korzeni w przypadku starszych fragmentów kontynentów i brak obecności pod nimi astenosfery, oznacza, że teoria olbrzymich sztywnych płyt poruszających się o tysiące kilometrów jest po prostu nie do obrony. Kontynenty są tak mobilne jak cegła w ścianie!

Najgłębszy otwór

Ile wiary możemy dawać teoriom związanym z kompozycją i gęstością skał na różnych głębokościach we wnętrzu Ziemi? Jedynym miejscem, gdzie dokładność sejsmicznych modeli może zostać przetestowana i skonfrontowana z rzeczywistością są odwierty – mające zaledwie kilka km. głębokości. Chociaż przedsiębiorstwa naftowe przewiercały się do głębokości ok. 8 km wgłąb ziemi, to zwykle odwierty takie prowadzone były w basenach osadowych. W przypadku skał magmowych natomiast, które rozciągają się na głębokość 40 km i stanowią większą część skorupy kontynentalnej, rzadko udawało się przewiercić na głębokość większą niż 2 lub 3 km.

Najgłębszy otwór odwiertowy wykonany w historii do celów naukowych znajduje się półwyspie Kola blisko Murmańska w Rosji, w północno-zachodniej części tarczy bałtyckiej. Wiercenia głównego otworu rozpoczęto w roku 1970, a finalną głębokość 12,262 metry osiągnięto w roku 1994. Docelowo otwór miał mieć głębokość 15 km, jednakże z uwagi na duże koszta, prace przerwano na ponad 2 km przed osiągnięciem celu. Odwierty dorównujące tej głębokości zawsze niosły ze sobą niespodzianki, pojawiające się jedna za drugą niczym lawina ku zaskoczeniu naukowców. Jeden z nich skomentował odwiert słowami: „Za każdym razem kiedy wiercimy dziurę znajdujemy coś niespodziewanego. To ekscytujące ale również niepokojące.” Inny reporter naukowy zauważył: „Odwiert Kola pokazał nam, jak daleko od prawdy mogą znajdować się naukowe teorie.”

Odwiert w Kola, na zdjęciu widoczna 64 metrowa wieża ponad miejscem 12 km odwiertu

W przypadku odwiertu w Kola, naukowcy spodziewali się znaleźć warstwę metamorficznych osadowych i wulkanicznych skał rozciągających się na długości 4,7 km, a następnie warstwę granitu do głębokości 7 km z warstwą bazaltową poniżej. Udało się wszakże dotrzeć do granitu, na głębokości 6,8 km, który rozciągał się na głębokość ponad 12 km odwiertu, nigdy natomiast nie odkryto warstwy bazaltowej! W przypadku badań sejsmicznych, w których fale dźwiękowe wysyłane wgłąb skorupy odbijały się, odkryto tzw. „Nieciągłość Conrada”, granicę pod wszystkimi kontynentami, jednakże standardowa interpretacja, mówiąca, że na tej granicy mamy do czynienia z przejściem od warstwy granitu do bazaltu jest błędna. Bardziej prawdopodobną teorią jest ta, mówiąca, że granica ta utworzona została na skutek zmian związanych z temperaturą i ciśnieniem, a nie z uwagi na inną budowę skalną.

Inny super-głęboki odwiert w Oberpfalz w Niemczech, miał dać dowód na to, że na głębokości 3-5 km znajduje się wielki obszar masywnych skał wypchniętych z ich początkowego położenia z uwagi na ruchy Ziemi. Otwór wiertniczy osiągnął głębokość 9101 metrów w roku 1994, ale nie znaleziono żadnych dowodów na istnienie tego typu warstwy skalnej. Co ciekawe naukowcy odkryli wtedy cykl niemalże pionowych fałd, które nigdy nie ukazały się na żadnym sejsmografie…

Generalnie uważa się, że gęstość skał wzrasta wraz z głębokością, z uwagi na równoczesny wzrost ciśnienia. Rezultaty z odwiertu Kola pokazują jednak, że zaiste gęstość wzrastała wraz z pogłębianiem odwiertu, jednakże na głębokości 4,5 km wiertło natrafiło na niespodziewany spadek gęstości, przypuszczalnie z uwagi na wzrost porowatości. Rezultaty pokazały także, że wzrost prędkości fal sejsmicznych nie jest także spowodowany wzrostem zasadowości skał. Radziecki Minister Geologii poinformował, że: „wraz ze wzrostem głębokości odwiertu w Kola, oczekiwany wzrost w gęstości skał nie został zarejestrowany. Nie odkryto także wzrostu prędkości fal sejsmicznych lub jakichkolwiek innych zmian w fizycznych właściwościach warstwy skalnej. Stąd też, tradycyjna idea – mówiąca, że rezultaty otrzymane w wyniku badań przeprowadzanych na powierzchni Ziemi, mogą być z łatwością połączone z rezultatami geologicznych odwiertów – musi zostać ponownie zbadana.”

Rezultaty super-głębokich odwiertów pokazują, że założenia oparte o sejsmologię są błędnie interpretowane. Tymczasem większość modeli wnętrza Ziemi opiera się o interpretację zapisów sejsmicznych. Jeśli te interpretacje są błędne na głębokości ledwie paru km, jak dużą zgodność ze stanem faktycznym uzyskamy na głębokości setek lub tysięcy km. pod powierzchnią Ziemi?

Odmiennie od oczekiwań, w przypadku odwiertu w Kola, ślady zmian skalnych i mineralizacji zostały odkryte tak głęboko jak 7 km pod powierzchnią. W odwiercie odkryto rudę miedziano-niklową prawie 2 km poniżej poziomu, przy którym tego typu rudy nie powinny występować. Dodatkowo, wodór, hel, metan i inne gazy połączone razem z silnie zmineralizowaną wodą cyrkulowały wewnątrz prowadzonego odwiertu. Obecność struktur wokół których występował płynny przepływ przy ciśnieniu większym niż 3000 barów było całkowicie niespodziewane. Wiercący w Oberpfalz z kolei odkryli gorące płyny w otwartych strukturach na głębokości 3,4 km. Słona woda była bogata w potas i miała zasolenie dwukrotnie większe niż woda morska, a jej pochodzenie stanowi tajemnicę.

Kolejną niespodzianką w Kola było odkrycie żywych form i skamieniałości kilka kilometrów wgłąb ziemi. Mikroskopijne skamieniałości zostały znalezione na głębokości 6,7 km. Pośród nich zidentyfikowano 24 gatunki.

Generalnie przyjmuje się, że temperatura wzrasta wraz z głębokością, osiągając 1000st. C na głębokości około 80 km, 4800st. C, na granicy pomiędzy płaszczem a zewnętrznym jądrem i 6900st. C, w centrum Ziemi. Prawdą jest, że w kopalniach i przy odwiertach ropy naftowej obserwuje się wzrost temperatury wraz z głębokością. W rzeczywistości jednak głębokie odwierty pokazują, że temperatura wraz z głębokością wzrasta dużo szybciej niż przewidują obecne modele. W przypadku odwiertu w Kola, temperatura na głębokości 10 km wynosiła aż 180st. C, odmiennie niż przewidywane 100st. C. Pomiary wykazywały znaczne pionowe zmiany temperatury i istnienie gęstych gorących strumieni wzdłuż otworu wiertniczego. W sumie tempo wzrostu temperatury zwiększało się do głębokości 7 km wynosząc odpowiednio od 11 do 24 stopni C. na 1 km głębokości. Co ciekawe, tempo wzrostu temperatury zaczęło spadać po przekroczeniu 7 km. Geolodzy przyznali, że tempo wzrostu temperatury musi w pewnym momencie spadać bardzo gwałtownie, w przeciwnym razie płaszcz Ziemi powinien roztopić się już na głębokości 100 km, gdzie wg. sejsmologów znajduje się przecież lita skała. Po raz kolejny okazało się, że model związany z temperaturami jest całkowicie błędny.

Skorupa oceaniczna wg. obecnych modeli podzielona jest na trzy warstwy. Warstwa pierwsza zbudowana jest z warstwy osadowej stanowiącej dno oceanów. Ma ona wg. sejsmologów około 500 metrów grubości. Warstwa druga składa się w dużej mierze z bazaltu, a jej grubość wynosi od 1 do 2,5 km. Warstwa trzecia składa się z gabra (skały magmowej) i ma grubość 5 km.

Odwiert prowadzony we wschodniej części Oceanu Spokojnego był przeprowadzany czterokrotnie w ciągu ostatnich 12 lat i w chwili obecnej osiągnął głębokość 2000 metrów poniżej dna oceanicznego. Dowody sejsmiczne sugerowały, że granica pomiędzy warstwą pierwsza i drugą powinna znajdować się na głębokości 1700 metrów, jednakże wiertło dawno przekroczyło tą głębokość nie odnajdując skał magmowych gabro ani żadnego śladu warstwy trzeciej. Wygląda więc na to, że sejsmiczne interpretacje związane z modelem oceanicznym są błędne, po raz kolejny…

Czy teoria pustej Ziemi może być prawdziwa?

Tak i co najciekawsze, teorię tą można dostosować do obecnego modelu sejsmicznego. Dodatkową zaletą modelu pustej Ziemi byłaby także pełna zgodność z obecnymi badaniami geologicznymi.

Model sejsmologiczny i jego dopasowanie do teorii pustej Ziemi znakomicie zobrazował Jan Lamprecht. W modelu tym, zarówno fale typu P i typu S będą rozchodzić się tak samo jak w obecnym modelu litym.

W powyższym modelu gęstość, ciśnienie i temperatura wzrasta tylko do pewnej głębokości, aby po jej przekroczeniu spadać. Model ten zakłada istnienie ogromnej pustej przestrzeni wewnątrz planety. Sposób zmian gęstości i ciśnienia ma bezpośredni wpływ na rozchodzenie się fal sejsmicznych, które w tym modelu zachowują się tak samo jak w modelu obecnym, a pomijamy całkowicie fakt istnienia jądra ciekłego lub litego.

Do modelu pustej Ziemi doskonale dopasować możemy wyniki badań odwiertowych mimo, iż odwierty osiągnęły zaledwie kilka lub kilkanaście kilometrów.

Opracowanie i tłumaczenie: Eurycide
Artykuł pochodzi z witryny: Paranormalne.pl
źródła:
David PrattMysteries of the Inner Earth, maj 2001;
Alan BellowsThe Deepest Hole, marzec 2007.

Literatura:

[1] T. Lay and T.C. Wallace, Modern global seismology, San Diego, CA: Academic Press, 1995.

[2] D. McGeary and C.C. Plummer, Physical geology: Earth revealed, 3rd ed., Boston, MA: WCB, McGraw-Hill, 1998, p. 28.

[3] P. Barton, ‚Deep reflections on the Moho’, Nature, vol. 323, pp. 392-3, 1986; S. Weisburg, ‚The moho is immutable no more’, Science News, vol. 130, pp. 326-7, 1986.

[4] V. Sánchez Cela, Formation of mafic-ultramafic rocks in the crust: Need for a new upper mantle, Zaragoza: University of Zaragoza, 1999; V. Sánchez Cela, Densialite: A new upper mantle, Zaragoza: University of Zaragoza, 2000.

[5] Physical geology, p. 32.

[6] William R. Corliss (comp.), Inner earth: A search for anomalies, Glen Arm, MD: Sourcebook Project, 1991, pp. 41-3.

[7] Sue Bowler, ‚Journey to the centre of the earth’, Inside Science no. 134, New Scientist, 14 October 2000.

[8] Richard A. Kerr, ‚Continental drilling heading deeper’, Science, vol. 224, pp. 1418-20,1984; Richard A. Kerr, ‚Deep holes yielding geoscience surprises’, Science, vol. 245, pp. 468-70, 1989; Richard Monastersky, ‚Inner space’, Science News, vol. 136, pp. 266-8, 1989; Taryn Toro, ‚German geology hits new depths’, New Scientist, 29 September 1990, pp. 24-5; William R. Corliss (comp.), Inner earth: A search for anomalies, Glen Arm, MD: Sourcebook Project, 1991, pp. 11-14; N.I. Pavlenkova, ‚The Kola superdeep drillhole and the nature of seismic boundaries’, Terra Nova, vol. 4, pp. 117-23, 1993; R. Emmermann and J. Lauterjung, ‚The German Continental Deep Drilling Program KTB: overview and major results’, Journal of Geophysical Research, vol. 102, pp. 18179-18201, 1997; Y.A. Popov, S.L. Pevzner, V.P. Pimenov, and R.A. Romushkevich, ‚New geothermal data from the Kola superdeep well SG-3’, Tectonophysics, vol. 306, pp. 345-66, 1999; International Continental Drilling Program (ICDP)

[9] Kola superdeep borehole, http:// icdp.gfz-potsdam.de/html/kola/wellsite.html.

[10] D. McGeary and C.C. Plummer, Physical geology: Earth revealed, 3rd ed., Boston, MA: WCB, McGraw-Hill, 1998, p. 63.

[11] J.M. Dickins, D.R. Choi, and A.N. Yeates, ‚Past distribution of oceans and continents’, in: S. Chatterjee and N. Hotton, III (eds.), New concepts in global tectonics (pp. 193-9), Lubbock, TX: Texas Tech University Press, 1992.

Zostaw komentarz


*

code


  • Facebook

Szukaj temat