Stavba Země

Země se skládá ze tří hlavních vrstev – zemské kůry,pláště a jádra (obr. 1). Tyto vrstvy se liší chemickým složením; v rámci jednotlivých vrstev pak dále dochází k vnitřnímu členění  na další části s odlišnými fyzikálními  vlastnostmi.

Obr. 1: Řez Zemí. Šedě je znázorněna kůra, žlutě plášť, jádro s jadérkem je červené, naznačena jsou fázová rozhraní v hloubkách 410 a 660 km.

Přímému pozorování je přístupná pouze svrchní kůra (prostřednictvím vrtů). V hlubších oblastech si musíme pomoci nepřímými metodami, např. výzkumem nového vulkanického materiálu a starších hlubinných hornin, které pocházejí ze spodnějších vrstev Země, či zkoumáním složení meteoritů (vycházíme z toho, že meteority mají stejné, nebo velmi příbuzné složení jako Země). Významné je zkoumání nitra Země pomocí seismických vln, jejichž rychlost se mění podle druhu a fyzikálních vlastností horniny, kterou procházejí. Na různých místech planety jsou rozmístěny seismické stanice (obr. 2), které zachycují informace o vlnách buzených zemětřeseními, velkými explozemi nebo vibrátory. Analýzou časů příchodů seismických vln je možné získat obraz struktury zemského nitra.

Obr. 2: Rozložení stálých seismických stanic po povrchu Země.

Nejsvrchnější vrstvou je zemská kůra. Tato oblast  je vzhledem ke své relativní dostupnosti nejlépe prostudovanou vrstvou zemského nitra. Její látkové složení se studuje mimo jiné pomocí laboratorních výzkumů předpokládaných hornin  za podmínek předpokládaných v jednotlivých částech kůry.

Hloubka kůry se místo od místa mění. V oblasti kontinentů sahá až do 40 km pod povrch,v oblasti oceánů je pouze 5-10 km silná (existují ale i velké extrémy, např. Pamír, kde je tloušťka kůry asi 75-80 km).

Kontinentální kůra je silně laterálně nehomogenní a má blokovou strukturu. Uvnitř bloků se mění rychlost šíření vln v závislosti na všech třech prostorových souřadnicích, ale pomaleji než při přechodu z jednoho bloku do druhého – tyto přechody jsou tzv. hlubinné zlomy (někdy patrné i na zemském povrchu). Oceánská kůra má jednodušší strukturu, zejména je mnohem homogennější v horizontálním směru. Její mocnost se zvětšuje se vzdáleností od hřbetu.V okolí oceánských hřbetů, kde kůra vzniká, a subdukčních zón, kde zaniká, je její stavba komplikovanější.

Kůru od pláště odděluje tzv. Mohorovičicovo rozhraní (MOHO). Je to hranice, při jejímž  přechodu se skokem mění hustota a rychlost šíření podílných vln (ze 6,5-7,5 km/s na 8 km/s). Toto rozhraní se nachází v různé hloubce podle tloušťky kůry. Někdy  se jedná skutečně o plochu, na níž se hustota a rychlost mění skokem, a někdy jde o neostrou přechodovou zónu, kde se vlastnosti mění během několika kilometrů. Tyto neostré zóny se hůře lokalizují.

Zemský plášť začíná pod kůrou a končí na rozhraní jádro – plášť v hloubce asi 2900 km. Dělí se  na svrchní (MOHO – 660 km) a spodní (660- 2900 km). Rozhraní mezi svrchním a spodním pláštěm v hloubce 660 km je dáno fázovým přechodem v materiálu pláště. Při něm se mění krystalová struktura a skokem narůstá hustota (asi o 10%).

Jak se s hloubkou mění fyzikální vlastnosti zemského pláště, mění se i jeho hustoty a rychlosti šíření seismických vln. Příklad moderního rychlostního a hustotního řezu je tzv. předběžný referenční model Země PREM (obr. 3 a 4).

Obr. 4: Model PREM (Preliminary Reference Earth Model-Předběžný referenční model Země [2]), závislost hustoty na hloubce.

Hustota i rychlosti šíření seismických vln obecně s hloubkou rostou. Výjimkou je tzv. kanál nízkých rychlostí v hloubkách okolo 200 km, kde v rychlostním řezu pozorujeme lokální minimum.

Rychlosti seismických vln závisejí na tlaku a teplotě – s rostoucím tlakem rostou, s rostoucí teplotou naopak klesají. Ve většině pláště převládá vliv tlaku nad vlivem teploty a seismické rychlosti tak s hloubkou rostou navzdory tomu, že směrem dolů se zvyšuje i teplota. V oblasti kanálu nízkých rychlostí ovšem nejspíš teplota roste s hloubkou tak rychle, že převládne její vliv nad vlivem rostoucího tlaku. Teplota přitom dosahuje v oblasti kanálu hodnot blízkých teplotám tání, takže materiál je částečně nataven.

V hloubce okolo 660 km dochází k polymorfnímu fázovému přechodu v materiálu pláště a skokem naroste hustota. V oblasti spodního pláště se patrně vyskytují vysokotlaké modifikace oxidů křemíku. Podle výsledků vysokotlakých experimentů je svrchní plášť tvořen směsí olivínu, pyroxenu a granátu.

Kromě toho, že se vlastnosti pláště (rychlost seismických vln, hustota) mění s hloubkou, mění se také laterálně. V subdukčních zónách, kde je hluboko do pláště zasunována relativně chladná oceánská litosféra, či v oblastech, kde od jádra stoupá prohřátý materiál je hustota o něco vyšší či nižší (o asi 1-5%) než by odpovídalo sféricky symetrickému modelu (PREM) .

Základní metoda, která nám umožňuje tyto odchylky od sférické symetrie studovat, je seismická tomografie. Díky ní jsme dnes již schopni poměrně detailně mapovat třírozměrnou strukturu pláště.

Zemské jádro - Rozhraní mezi pláštěm a jádrem se nachází ve střední hloubce 2900 km s výkyvy o 5-10 km kvůli menšímu zploštění jádra a zvlnění rozhraní jádra - plášť. Jádro se dělí na vnější kapalné a vnitřní pevné. Rozhraní mezi nimi leží v hloubce okolo 5 000 km. Přesněji se nejedná o ostré rozhraní, ale o asi 150 km silnou přechodovou zónu.

Ve vnějším jádře hustota zvolna vzrůstá  z 10 000 kg/m³ na asi 12 200 kg/m³ (obr. 4). V přechodové zóně prudce stoupá (podle modelu PREM o více než než 500 kg/m³) a hustota ve vnitřním jádře je víceméně konstantní s hodnotou okolo 13000 kg/m³. Tento hustotní model vyhovuje celkové hmotnosti Země a jejímu momentu setrvačnosti. Vnější jádro je velice tvárné (říká se kapalné), jeho modul torze je m < 10 ⁹ Pa, vnitřní naopak pevné a jeho modul torze je o dva řády vyšší  (~ 2*10 ¹¹ Pa).

Tlaků odpovídajících podmínkám v jádře lze dosáhnout pouze v tzv. dynamických tlakových experimentech (rázové vlny buzené explozemi), které trvají velmi krátce. Proto je jejich vypovídací hodnota omezená, nicméně poskytují základní informace o složení a stavu jádra. Z těchto experimentů plyne, že vnější jádro nemůže být složeno z čistého železa, ale musí obsahovat lehčí příměsi  (méně než 10%), např. síru nebo křemík. Také asi obsahuje malé množství niklu (asi 2%). Podle rozdílného skupenství vnějšího a vnitřního jádra se soudí, že ve vnějším jádře je teplota větší než teplota tání, ve vnitřním naopak. Předpokládá se, že teplota na rozhraní plášť – jádro je asi 3000-4000 K, ve vnějším jádře teplota roste, ve vnitřním je buď konstantní , nebo slabě roste. Ve středu Země dosahuje 4400 – 6700 K.

Ve vysoce vodivém kapalném vnějším jádře je tzv. magnetohydrodynamickými procesy buzeno magnetické pole Země.

Na tomto rozhraní klesá rychlost podélných vln z asi 14 km/s na  8 km/s  a příčných z asi 7 km/s na hodnotu nižší než 1 km/s. Vysoký rychlostní kontrast mezi pláštěm a jádrem má zajímavé důsledky, např. v tom, že na některých seismogramech silných zemětřesení se objevují vlny několikanásobně odražené od jádra (ohnisko – jádro –povrch  - jádro), zejm. příčné  ScSn (n= násobnost odrazu). Díky těmto vlnám můžeme zkoumat útlum v plášti, laterální nehomogenity litosféry i samotného rozhraní.

Rychlostní kontrast způsobuje také vznik tzv. seismického stínu jádra v epicentrálních vzdálenostech 103^o –143^o(obr. 5). Do  vzdálenosti 103^o přichází vlny, jejichž  paprsky se dotýkají jádra. Vlny s menším úhlem dopadu se již lámou do jádra a jsou tak silně odkloněny ke svislici, že na povrch vycházejí až v epicentrální vzdálenosti větší než 180^o. Vlny s ještě menším úhlem dopadu jdou do menších vzdáleností, nejméně ale do 143^o. Pro paprsky s dále  se zmenšujícím se úhlem epicentrální vzdálenost opět roste.

Obr 5: Stín jádra. Mezi epicentrálními vzdálenostmi  103^o a 143^o. Oblast A značí plášť, B vnější jádro, C vnitřní.

Hodnoty rychlosti příčných vln ve vnějším jádře jsou natolik malé, že se jakákoliv příčná vlna z pláště nemůže do jádra zlomit. Příčné vlny se tedy vnějším jádrem nešíří. Příčná vlna se ale může transformovat na vlnu podélnou  a do jádra se lámat jako podélná. Při východu  z jádra se může transformovat zpět na příčnou. Pevným vnitřním jádrem se příčné vlny šířit mohou.