زمين از چهار لايه متفاوت تشكيل شده است. بسياري از زمين شناسان معتقدند كه زمين در مركز خود از مواد سنگينتر و با چگالي بيشتر تشكيل شده است و مواد سبكتر به سمت بالا حركت مي كنند. زيرا پوسته زمين غالبا از مواد سبكتر(سنگهاي بازالت و گرانيت) ساخته شده در حاليكه هسته آن شامل فلزات سنگين(نيكل و آهن) است.
پوسته لايه اي است كه شما بر روي آن زندگي مي كنيد، اين لايه به خوبي مطالعه و درك شده است. گوشته بسيار گرمتر از پوسته است و توانايي جريان زيادي دارد. هسته هاي دروني و بيروني همچنان گرمتر هستند و فشار وارده در مركز زمين به اندازه اي است كه شما مي توانيد به وسيله آن، يك توپ را به يك تكه سنگ مرمر تبديل كنيد.
پوسته:
پوسته زمين، شبيه پوسته يك زمين است. اين لايه نسبت به سه لايه ديگر، بسيار نازكتر است. پوسته، در محل اقيانوسها(پوسته اقيانوسي)تنها حدود 5-3 مايل(8كيلومتر) ضخامت دارد و در قاره ها(پوسته قاره اي) حدود25 مايل(32كيلومتر) ضخامت دارد. درجه حرارت پوسته از درجه حرارت هوا در بالاترين بخش آن، تا 1600درجه فارنهايت(870 درجه سلسيوس) در عميق ترين بخش پوسته تغيير مي كند. شما مي توانيد يك قرص نان در تنور(اجاق) خودتان در حرارت 350درجه فارنهايت) بپزيد. در حرارت 1600درجه فارنهايت،سنگها شروع به ذوب شدن مي كنند. پوسته زمين به قطعاتي كه ورقه ناميده مي شوند، تقسيم شده است. ورقه ها نيز بر روي يك گوشته پلاستيكي نرم كه زير پوسته قرار گرفته اند شناورند. اين ورقه ها معمولا به آرامي حركت مي كنند ولي اغلب، به هم مي چسبند و فشار زيادي را ايجاد مي نمايند. فشار ايجاد شده و سنگها خميده مي شوند تا حدي كه بشكنند. به هنگام رخداد اين پديده، زمين لرزه ايجاد مي شود. به ضخامت كم پوسته، در مقايسه با ساير لايه ها توجه كنيد. كلا هفت ورقه اقيانوسي و قاره اي بر روي گوشته اي كه از مواد داغتر و با چگالي بيشتري تشكيل شده است،شناور مي باشند.
پوسته از دو نوع سنگ اصلي تشكيل شده است، گرانيت و بازالت. پوسته قاره اي بيشتر از گرانيت تشكيل شده در حاليكه پوسته اقيانوسي شامل نوعي از سنگهاي آتشفشاني، كه بازالت ناميده مي شوند، مي باشد.
سنگهاي بازالتي ورقه هاي اقيانوسي،چگالي بيشتري داشته و از سنگهاي گرانيتي ورقه قاره اي سنگينتر هستند. شاهد اين قضيه نيز، رانده شدن پوسته قاره اي بر روي پوسته سنگينتر اقيانوسي در طي برخورد ورقه ها مي باشد. پوسته و قسمت بالايي گوشته، پهنه اي از سنگهاي صلب و شكننده را ايجاد مي كنند كه سنگ كره(ليتوسفر) ناميده مي شود. لايه پاييني سنگ كره صلب، پهنه اي با محتويات قيرمانند است كه سست كره(آستنوسفر) نام دارد. سست كره، بخشي از گوشته است كه جريان دارد و ورقه ها بر روي آن حركت مي كنند.
گوشته:
گوشته لايه اي است كه مستقيما بر روي سيما قرار دارد. اين لايه بزرگترين قسمت زمين است كه حدود 1800مايل ضخامت دارد. گوشته از سنگهاي بسيار داغ و چگال تشكيل شده است. اين لايه سنگي، شبيه قير جريان مي يابد. اين جريان در اثراختلاف زياد درجه حرارت از كف تا بالاي گوشته مي باشد. حركت گوشته، دليل حركت ورقه هاي زمين است. درجه حرارت گوشته، از 1600درجه فارنهايت در بالاي آن تا 4000درجه در قسمتهاي قاعده اي اس، تغيير مي كند.
جريانهاي همرفتي:
گوشته از مواد بسيار چگالتر و با ضخامت بيشتر ساخته شده است. ورقه ها بر رو ي آن مانند روغني كه بر روي آب شناور است، شناورند. بسياري از زمين شناسان معتقدند كه گوشته به سبب وجود جريانهاي همرفتي،جريان دارد.
جريانهاي همرفتي، به علت وجود موادبسيار داغي است كه از عميق ترين قسمت گوشته بالا مي آيند سپس سرد شده، دوباره پايين رفته، سپس داغ شده و باز بالا مي آيند و اين چرخه بارها و بارها ادامه مي يابد.
شما سوپ يا پودينگ را در ماهيتابه اي گرم مي كنيد و جريانات همرفتي را مي توانيد در اين مايع ببينيد كه شروع به حركت مي كند.
هنگامي كه جريانان همرفتي در درون گوشته جريان مي يابند، مي توانند پوسته را نيز به حركت درآورند. در اثر اين جريانات، پوسته آزادانه حركت مي كند.
نوار نقاله، دركارخانه جعبه ها را حركت مي دهد همانند جريانات همرفتي در گوشته، كه ورقه هاي زمين را حركت مي دهد.
هسته خارجي:
هسته زمين، شبيه توپي است از مواد بسيار داغ(9000-4000 درجه فارنهايت). هسته خارجي آنقدر داغ است كه فلزات در آن همگي به صورت مايع هستند. هسته خارجي، 1800 مايل پايينتر از پوسته قرار دارد و حدود 1400مايل ضخامت دارد. هسته خارجي از نيكل و آهن مذاب تشكيل شده است.
هسته داخلي:
هسته داخلي آنقدر فشار و حرارت بالايي دارد كه فلزات به يكديگر فشرده شده و مانند مايع قادربه حركت نيستند. اما نيروهاي وارد شده به آنها باعث مي شود كه در جاي خود همانند يك جامد بلرزند. هسته داخلي، 4000 مايل پايينتر از پوسته است و حدود 800مايل ضخامت دارد. درجه حرارت در آن بيش از 9000درجه فارنهايت است و فشار 45 ميليون پوند براينچ مربع است. اين مقدار فشار، سه ميليون برابر فشار هوا بر سطح بدن شما در كنار درياست.
همراه با دوستانتان به سوالات زير پاسخ دهيد. اگر شما براي به دست آوردن جواب سوالات،نياز داريد كه به صفحات قبل بازگرديد، استفاده از عنوان صفحات كه درست در پايين سوالات آمده، به شما كمك خواهد كرد.
1- نام چهار لايه تشكيل دهنده زمين را به ترتيب از خارجي ترين بخش تا هسته بنويسيد.
2- چه چيز سبب مي شود كه گوشته جريان پيدا كند؟
3- دو فلز اصلي تشكيل دهنده هسته خارجي و داخلي زمين كدامند؟
4- توضيح شخصي شما از اين كه زمين چگونه به وجود آمده است، چيست؟
كارت 2، چهار لايه، به شما كمك خواهد كرد.
تغییر شکل پوسته ای
همانگونه که در قسمت قبل 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 میدهد. علاوه بر این نیروهای تکتونیکی (زمینساخت صفحهای) باعث تغییر در سنگهای پوسته زمین میشوند. با هر گامی که بر روی سطح زمین مینهیم باعث ایجاد تغییر شکل در سطح خاک میشویم و پس از عبور ما، خاک به حالت اولیه خود بازمیگردد، اما این تغییر شکلها آنچنان اندک است که معمولا متوجه آن نمیشویم. این تغییر شکلها در اثر نیروی محدودی است که بدلیل وزن ما به سطح زمین وارد میشود. اگر این نیرو زیاد باشد میتواند اثرات کاملا مشهودی ایجاد نماید. در این بخش به عوامل ایجاد تغییر شکلها و نیز مکانیزم های تغییر شکل در اجسام و نیز پوسته زمین می پردازیم.
نیرو:
نیرو آن چیزی است که اجسام ثابت را به حرکت درمیآورد و یا نحوه حرکت اجسام متحرک را تغییر میدهد. 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 میشود. مقدار تنش به تنهایی تابعی از مقدار نیروی وارده نیست و به سطحی که نیرو به آن وارد میشود نیز وابسته میباشد. برای مثال اگر پای برهنه در حال راه رفتن بر روی سطح سختی باشید نیرو (وزن بدن شما) در سطح کف پای شما پخش میشود، 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 میتوانید تنش را از میزان تمرکز نیرو بر روی سطح متصور شوید.
انواع تنش:
بر اساس جهتهای مختلف نیروهای وارده، تنشهای مختلفی ایجاد میشود. بصورت خلاصه این تنشها عبارتند از:
تنش فشاری:
در صورتی که نیروهای وارده باعث فشرده شدن جسم شوند تنش فشاری بوجود میآید. تنشهای فشاری تمایل دارند که صفحات سطح کره زمین را کوچکتر و ضخیمتر نمایند و این فرآیند با چین خوردگی و گسلش اتفاق میافتد
جهت اعمال نیروهای فشاری که منجر به فشرده شدن و ضخیمتر شدن صفحات پوسته میشود.
تنش کششی:
در صورتی که تنش وارده تمایل به کشیدن توده سنگی ( و یا هر جسمی که به آن اعمال میشود ) داشته باشد تحت عنوان تنش کششی شناخته میشود که باعث طویلتر شدن آنها می گردد
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 وارد نموده اید. در صورتی که تنش برشی بر توده سنگها وارد گردد باعث لغزش صفحات در کنار یکدیگر میشود.
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. در قسمت بعد با انواع تغییر شکلهای مواد ( و همچنین سنگها ) در برابر نیرو و تنش آشنا میشویم.
تغییر شکلهای ارتجاعی و غیر ارتجاعی:
تعریف تغییر شکلهای ارتجاعی و غیر ارتجاعی باعث خواهد شد تا بتوانیم درک کاملی از مکانیزم ایجاد تغییر شکلها در پوسته زمین و نحوه ایجاد آنها داشته باشیم. هر مادهای بر روی کره زمین، دارای خصوصیات فیزیکی منحصر بفردی است. ولی غالبا اساس این خصوصیات یکسان میباشد. یکی از این خصوصیات فیزیکی که در این قسمت به آن میپردازیم، نحوه عکس العمل مواد در برابر نیروی وارده بر آنها میباشد. برای مثال یک میله فلزی باریک ( یا خط کش فلزی ) را در نظر بگیرید. اگر بخواهیم این میله را خم کنیم، در جریان خم کردن این میله با دو مرحله مختلف روبرو میشویم که عبارتند از:
مرحله تغییر شکل ارتجاعی (الاستیک):
اگر میله فلزی را اندکی خم کنیم، پس از آنکه آن را رها میکنیم، شاخه به حالت طبیعی خود بازمیگردد. در این مرحله گفته میشود که چوب در حالت ارتجاعی خود قرار دارد. در این حالت هر جسم دقیقا همانند یک فنر عمل نموده و نیروی وارده را در خود ذخیره کرده و پس از برطرف شدن نیرو آن را آزاد نموده و به حالت اولیه خود باز میگردد
مرحله تغییر شکل غیر ارتجاعی (پلاستیک)
اگر نیرویی که به میله وارد میکنیم، از میزان معینی بیشتر باشد و در نتیجه میله از میزان معینی بیشتر تغییر شکل دهد، پس از رها کردن، دیگر به حالت اولیه خود باز نمیگردد و مقداری از تغییر شکل بصورت دائمی در آن باقی خواهد ماند. که در اصطلاح علمی گفته میشود چوب از مرحله الاستیک خارج شده و وارد مرحله پلاستیک شده است
مواد شکل پذیر و شکننده
هر ماده ای میتواند مقدار خاصی نیرو را تحمل نموده و همچنان ارتجاعی بماند. اگر نیرو از مقدار مشخص فراتر رود، دیگر جسم ارتجاعی نخواهد ماند و وارد مرحله غیر ارتجاعی میشود. مواد در مرحله ای که به حد ارتجاعی خود میرسند، به دو گونه این تغییر شکل دائمی را متحمل می شوند. یا همانند میله فلزی فوق جاری میشوند که به آن “جاری شدن” می گویند یا همانند یک شاخه خشک چوب بصورت ناگهانی میشکنند که به اینگونه مواد “شکننده” میگویند.
نمودار رفتار مواد شکننده (بالا) و شکل پذیر (پایین) در برابر تنش
بسیاری از ما این پدیدهها را مشاهده کرده ایم و شاید برایمان امری بدیهی و طبیعی باشد، ولی جالب خواهد بود اگر بدانیم این پدیده تقریبا در مورد تمام مواد فیزیکی موجود در این جهان هستی نیز صادق است. شاید تصور آن که حتی یک صخره سنگی بزرگ و یا منزلی که در آن زندگی میکنیم نیز دارای چنین رفتاری هستند و یا با هر قدم گذاشتن بر روی زمین، خاک زیر پایمان تغییر شکل میدهد کمی دور از ذهن باشد. دلیل آن هم این است که بدلیل تفاوت عملکرد و جنس و ابعاد مواد مختلف، هر کدام از آنها تغییر شکلهای متفاوتی را متحمل میشوند که غالبا برای ما غیر قابل احساس است. در واقع ما در دنیایی از فنر با مشخصات مختلف زندگی میکنیم.
درخت بزرگتری را تصور کنید، معمولا کسی نمیتواند با نیروی طبیعی خود تغییر شکل محسوسی را در کل درخت ایجاد نماید. ولی همه ما دیده ایم که با وزش باد، درختان چگونه به رقص درمی آیند. پس به این نتیجه میرسیم که با نیروی بیشتری میتوان حتی اجسامی که در نظر اول صلب و غیر قابل تغییر شکل بنظر میرسند را خم کنیم.
این پدیده در صفحات سنگ کره که در فصل قبل در باره آن بحث نمودیم نیز صادق است. و نیرویی که میتواند چنین توده های بزرگی از سنگ و خاک را جابجا نماید از جریان ماگما در داخل کره زمین حاصل میشود.
مشخصات فیزیکی سنگ کره:
حال تمام مواردی که تا بحال مطالعه نمودیم را در زمین مورد بررسی قرار میدهیم.
پوسته کره زمین همانند تمام مواد دارای رفتار ارتجاعی و غیر ارتجاعی در برابر نیرو میباشد و برخی موارد بصورت شکل پذیر و گاهی بصورت شکننده به این تغییر شکل پاسخ میدهند. با جریان ماگما بدلیل همرفت در داخل کره زمین، نیرویی بر پوسته ها وارد میشود و پوسته ها تمایل دارند که بر اثر این نیروی وارده جابجا شوند. از طرف دیگر بدلیل اصطکاکی که بین و داخل صفحات سنگ کره زمین وجود دارد این نیرو بصورت تغییر شکلهای ارتجاعی در صفحات ذخیره میشود. و در نهایت وقتی این مقدار تغییر شکل ارتجاعی از حد تحمل (مقاومت[1][7]) سنگ کره فراتر میرود، بصورت تغییر شکل ماندگار در آن در میآید.
مقاومت سنگها و نحوه تغییر شکل آنها در برابر نیرو علاوه بر جنس آنها به دما، فشا و به زمان نیز بستگی دارد.
بازگشت کشسان
فرض کنید کتابی را بر روی سطح زمین قرار داده اید و با کشی که به آن بستهاید، میخواهید که آن را جابجا نمایید. مراحلی که اتفاق میافتد عبارتند از:
1- کش کشیده میشود بدون اینکه در کتاب جابجائی ایجاد شود. ( یعنی حالتی که تغییر ارتجاعی در پوسته زمین رخ میدهد )
2- وقتی نیرویی که از طرف کش به کتاب وارد میشود از میزان اصطکاک بین کتاب و سطح زمین بیشتر شود، کتاب با یک حرکت جهشی به سمت کش حرکت میکند و در واقع انرژی ذخیره شده در کش بصورت حرکت جهشی کتاب آزاد میگردد. ( همان لحظه ای که سنگها به حد ارتجاعی خود رسیده اند و با تغییر مکان بیشتر، بصورت غیر ارتجاعی می شکنند)
3- دوباره کتاب می ایستد و کش شروع به کشیده شدن و ذخیره انرژی مینماید. و پروسه دوباره تکرار می شود
این دقیقا همان اتفاقی است که بهنگام وقوع زلزله در پوسته زمین اتفاق میافتد. در اثر نیروهای وارده بر پوسته زمین، صفحات سنگ کره دچار تغییر شکل میشود. این تغییر شکل در حد ارتجاعی است و آرام آرام اتفاق میافتد و انرژی را در خود ذخیره میکند. و آنقدر سنگها انرژی در خود ذخیره میکنند که در نهایت فراتر از اصطکاک بین سنگها میشود. در این لحظه است که صفحات شکسته شده و نسبت به هم جابجا میشوند.
ما به همین سادگی توانستیم تئوری اساس ایجاد زلزله ها را که سالهای متمادی دانشمندان را به خود مشغول کرده بود را درک کنیم. پدیده “بازگشت الاستیک” دقیقا آن چیزی که آزمایش ساده کتاب به ما نشان داد. حال متوجه میشویم که دلیل بازگشت زلزله ها و آنچه که به عنوان دوره بازگشت مطرح میشود، مربوط به خصوصیت ارتجاعی بودن مواد تشکیل دهنده پوسته زمین است.
مکانیزم درونی زمین لرزه تا زمانی که آقای رِید از دانشگاه جان هاپکینگز پس از زلزله سال 1906 سانفرانسیسکو مطالعاتی را انجام داد، ناشناخته بود. این زمینلرزه با جابجائیهای افقی چند متری همراه بود که در طول 1300 کیلومتر اتفاق افتاده بود. بررسیهای میدانی نشان داد که طی این زلزله صفحه آرام بطول 7/4 متر از کنار صفحه مجاور خود ( صفحه آمریکای شمالی) به سمت شمال جابجا گردیده است.