مطالعه‌ی غیرمستقیم زمین

انسان همواره در مورد ساختار داخلی زمین کنجکاو بوده است. عمیق‌ترین چاهی که بشر حفاری کرده است کمتر از 15 کیلومتر بوده و گرادیان حرارتی زمین با افزایش عمق، امکان حفاری برای عمق بیشتر را میسر نساخت. مطالعه‌ی غیر مستقیم برای زمین در اولویت است که در این بخش آن را توضیح می‌دهیم.

بشر از دیر باز به فكر مطالعه درباره زمین و ساختمان درونی آن بوده است. بخش‌های سطحی بیشتر با نمونه برداری مستقیم و مطالعات آزمایشگاهی بر روی سنگ‌ها و ماگماها مورد مطالعه قرار می‌گیرد. اما جزء بخش‌های سطحی، دسترسی مستقیم به قسمت اعظم زمین امكان پذیر نیست. با توجه به اطلاعات حاصل از مطالعه شهاب سنگ‌ها و ستارگان می‌توان تا اندازه‌ای به تركیب كلی زمین پی برد.

از آنجا كه مطالعه مستقیم اعماق زمین غیر ممكن است بیش‌تر مطالعات درباره زمین به روش غیر مستقیم است. عمیق‌ترین چاهی كه جهت مطالعه مستقیم حفر شده است در شوروی سابق حدود 13 كیلومتر است در صورتی كه شعاع كره زمین در حدود 6400 كیلومتر است. آتشفشان‌ها، چشمه‌های آب گرم، امواج زلزله، سنگ‌هایی كه از سایر نقاط منظومه شمسی به زمین رسیده‌اند از عمده مواردی هستند که در مطالعه‌ی غیر مستقیم زمین کاربرد دارند. اما مهم‌ترین راه مطالعه‌ی غیر مستقیم زمین امواج زلزله است، زیرا با توجه به قدرت زیادش تا عمق زیادی را می‌پوشاند؛ لذا بهترین مطالعه درباره ساختمان درونی زمین بیشتر به كمك امواج حاصل از زلزله یا انفجارهای مصنوعی میسر می‌شود.

این امواج همچون امواج نوری، وقتی از محیطی وارد محیطی دیگر با جنس یا چگالی متفاوت می‌شوند، شكسته شده و تغییر سرعت می‌دهند. با مطالعه بر روی این امواج، كره زمین را به سه لایه پوسته، گوشته (جبه) و هسته تقسیم کرده‌اند. در ابتدا موج P و موج S را که از امواج اصلی زلزله‌اند توضیح می‌دهیم.

امواج طولی (P):

این امواج باعث کشش‌ها و انقباض‌های متوالی در امتداد حرکت موج می‌شود. سرعت انتشار این امواج زیادتر از امواج دیگر است و اولین امواجی هستند که به ایستگاه لرزه نگار می‌رسد.

امواج تراکمی از همه محیط‌هایی که توان تحمل فشار را دارند از جمله گازها، جامدات و مایعات عبور می‌کنند. ذراتی که تحت تأثیر موج P قرار می‌گیرند در جهت انتشار موج به جلو یا عقب نوسان می‌کنند. در صورتی که بخشی از یک فنر را جمع کرده و به طور ناگهانی رها کنیم، فشردگی تمام طول فنر را طی خواهد کرد تا به انتهای آن برسد. در این مثال فنر در راستای حرکت موج به ارتعاش درآمده است که بسیار شبیه به نحوه انتشار امواج P است. دلیل نامگذاری این امواج به نام امواج اولیه سرعت بالای این امواج می‌باشد، چرا که اولین موجی که از زلزله احساس می‌شود امواج P می‌باشد. این امواج با وجود سرعت بالای انتقال، چون بسیار سریع‌تر از سایر امواج دیگر میرا می‌شوند (یعنی انرژی خود را از دست می‌دهند) باعث ایجاد خرابی زیادی در زلزله نمی‌شوند.

امواج برشی(S) :

این امواج باعث می‌شود که سنگ خم شود و شکل خود را از دست بدهد. این امواج فقط از جامدات می‌گذرند. تقریباً اثر تخریبی تمام زلزله‌ها بر اثر امواج برشی است و به این معنی که وقتی لحظه شکستن سنگ فرا برسد سنگ شکاف بر می‌دارد و نقاط مجاور شکاف به طور جانبی نسبت بهم حرکت می‌نمایند. در این زمان است که دو نوع موج P و S ایجاد می‌شوند.

این امواج تنها در محیط‌هایی که می‌توانند در برابر تغییر شکل جانبی مقاومت کنند (مانند محیط‌های جامد) منتشر می‌گردند. این امواج در مایعات و گازها نمی‌توانند منتقل شوند. در صورتی که یک طناب را به دیواری متصل کرده و سر دیگران را در دست گرفته و به صورت قائم حرکت دهیم، در طناب موجی که ایجاد می‌شود شبیه امواج S می‌باشد. در این امواج ارتعاش ذرات محیط عمود بر جهت حرکت موج می‌باشد (همان‌طور که مثال طناب دیده می‌شود، موج در امتداد طول طناب حرکت می‌کند در حالی که ذرات طناب در جهت عمود بر طول طناب ارتعاش می‌کنند).

تشخیص گوشته

سرعت امواج p در پوسته بین 6 تا 7 كیلومتر بر ثانیه تغییر می‌کند ولی در زیر مرز موهو به بیش از 8 کیلومتر بر ثانیه می‌رسد. سرعت امواج p و s در نواحی مختلف گوشته بی نظمی‌هایی نشان می‌دهد. اولین تغییر هم در عمق حدود 70 تا 100 كیلومتری شروع می‌شود یعنی از قاعده پوسته تا عمق حدود 100 كیلومتر. سرعت به تدریج از حدود 8 به 3/8 كیلومتر بر ثانیه می‌رسد. مطالعات نشان می‌دهد كه این قسمت سخت و سنگی است.

تشخیص هسته‌ی زمین

هسته از زیر گوشته تا مركز زمین ادامه دارد. امواج p و s به شدت تحت تأثیر مرزی كه در عمق 2900 كیلومتری زمین است قرار می‌گیرند. در این عمق از سرعت موج p شدیداً كاسته شده و موج s جذب می‌شود. مرز بین گوشته و هسته در این عمق قرار دارد. امواج p می‌توانند از درون جامدات و مایعات عبور كنند؛ بنابراین می‌توانند از سنگ‌ها و نیز ماگما و دیگر سیالات بگذرند، گر چه سرعت آن‌ها در محیط‌های مختلف تغییر می‌کند.

در عوض، امواج s نمی‌توانند از سیالات عبور كنند. وقتی زمین لرزه های بزرگی روی می‌دهد، در فاصله بیش از 103 درجه از مركز سطحی زلزله، امواج s مستقیماً قابل دریافت نیستند. به عبارت دیگر یك «منطقه سایه» برای موج s از حدود 103 درجه به بعد در آن سوی زمین ایجاد می‌شود. باید گفت كه یك توده‌ی سیال در درون زمین راه عبور امواج s را می‌بندد. این توده سیال، هسته خارجی مایع زمین است. اندازه‌ی هسته‌ی خارجی با توجه به وسعت منطقه سایه معلوم شده است. هسته‌ی خارجی یك منطقه سایه حلقه مانند برای موج p نیز ایجاد می‌کند.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: مرتضی عرفانیان

تنظیم: مریم فروزان کیا