A Föld és a Hold közötti átlagos távolság 384 400 km. Neil Armstrong amerikai űrhajós 1969. július 21-én lépett a Holdra a történelmi Apollo-11 küldetés során. A repülés 4 napig tartott. A Föld belsejének „látása” nem olyan egyszerű, mint a felszín megfigyelése, vagy a Hold elérése!

A szilárd Föld sugara 6371 km (Föld térfogatának megfelelő gömb sugara) (egyenlítő: 6378 km; sarkok: 6357 km). Az ember által mélyített legmélyebb fúrás a Kola szupermély fúrás (SzG–3), mely a Kola-félszigeten található Oroszországban. Ez a fúrás 12 262 méteres mélységet ért el, és kivitelezése több szakaszban 19 évig tartott… A Föld felszínének 510,1 millió négyzetkilométernyi területéből sikerült megismerni 0,66 m²-t 12 km-es szelvényben.

Legmélyebb fúrásaink is alig hatolnak 10 km mélységig. A Föld belső övei, különösen a 700 km-nél mélyebb szférák teljességgel hozzáférhetetlenek a közvetlen tapasztalat számára. A legfontosabb kutatási módszerek a szeizmológia, a geodézia (pl. műholdas geodézia), a geokémia (pl. vulkáni tevékenység során felszínre kerülő anyagok elemzése, valamint a mélyfúrásokból származó minták vizsgálata) és a geofizika (pl. a gravitációs és a mágneses tér vizsgálata). Kétségkívül a legfontosabb a szeizmológia, a földrengések által keltett szeizmikus hullámok terjedésének vizsgálata.

- A szeizmikus hullámok a földrengések által keltett rezgések, melyek a Föld belsejében terjednek. A különböző sűrűségű és összetételű rétegeken áthaladva e hullámok sebessége és iránya megváltozik, ami kulcsfontosságú információt hordoz a bolygó szerkezetéről.

A szeizmológusok a szeizmográfok által rögzített hullámok terjedési sebességét és irányát elemzik. A P-hullámok (primer hullámok) a leggyorsabbak, és szilárd, valamint folyékony anyagban is terjednek. Az S-hullámok (szekunder hullámok) lassabbak, és csak szilárd anyagban terjednek. Az S-hullámok hiánya a külső magban például bizonyíték arra, hogy ez a réteg folyékony – tudtuk meg Dr. Hrabovszki Ervintől, az SZTE Geológia Tanszék tudományos munkatársától.

A hullámok visszaverődése és törése a különböző rétegek határán, például a köpeny és a mag között, lehetővé teszi a rétegek elhelyezkedésének és tulajdonságainak meghatározását. A hullámok sebességének változásai segítenek azonosítani a rétegek sűrűségét és összetételét. A szeizmikus hullámok elemzése tehát a Föld belső szerkezetének „röntgenképe”, amely feltárja a földkérget, a köpenyt és a magot alkotó rétegek elhelyezkedését és tulajdonságait.

A Föld belső szerkezete

Forrás: https://www.discovermagazine.com/the-sciences/20-things-you-didnt-know-about-inner-earth (Gary Hincks/Science Photo Library)

Hogyan néz ki Földünk belseje? Milyen rétegekből áll, és honnan tudjuk ezt ilyen pontosan?

A Föld belső szerkezete koncentrikus héjakból áll, melyeket kémiai összetételük és fizikai tulajdonságaik alapján különíthetünk el. A legkülső réteg a kéreg (A), amely kontinentális és óceáni típusokra osztható, ezek vastagságban és kőzetösszetételben is különböznek egymástól. A kéreg alatt helyezkedik el a köpeny (B+C+D'+D’’), melyet további alrétegekre osztunk: a felső köpeny (B), az átmeneti zóna (C), az alsó köpeny (D’) és a D’’ réteg. Ezeket a rétegeket ásványtani fázisátmenetek (410 km és 660 km mélységben) határolják el egymástól. A Föld középpontjában található a mag (E+F+G), mely külső magra (E), átmeneti zónára (F) és belső magra (G) osztható. A külső mag és az átmeneti zóna folyékony, míg a belső mag szilárd halmazállapotú.

A klasszikusnak tekinthető héjasan homogén földmodell Keith Edward Bullen (1950) munkájának az eredménye. Ennek az új szeizmológiai eredményekkel továbbfejlesztett változata az Előzetes Referencia Földmodell nevet kapta. A Föld összetételbeli felosztása a kémiai összetétel alapján különíti el a földkéreg, földköpeny és földmag rétegeit, míg a reológiai felosztás a kőzetek viselkedését veszi alapul, megkülönböztetve a litoszférát, asztenoszférát, mezoszférát és a belső, illetve külső magot. Az előbbi a szilárd és folyékony anyagok arányára fókuszál, míg az utóbbi a kőzetek mechanikai tulajdonságait hangsúlyozza.

A Föld mai termokémiai geodinamikai modelljének vázlatos rajza egyenlítői keresztmetszetben, kiegészítve (Trønnes, 2010) adataival. A kontinensek szürkék, az óceáni lemezek kékek, a köpeny alján található poszt-perovszkit fázis zöld, a forró feláramlások barnák, az egész köpenyt átfogó feláramlások pirosak, a konvektív áramlatok nyilak.

PGZ a feláramlás keletkezési zónája; ULVZ az ultra alacsony sebességű zóna, amelyet nagy vastartalmú, magas fokú részleges olvadással rendelkező zónákként értelmeznek; PPV a poszt-perovszkit fázis

– A módszer, amely feltárja ezt a szerkezetet nem más, mint a szeizmika, illetve a szeizmikus tomográfia. A szeizmikus tomográfia olyan, mintha a Földről CT-felvételt készítenénk. Földrengések során mindazon sugárutak, amelyek anomális tértartományokon haladnak át, nem a referencia földmodellből következő sztenderd futási idővel érkeznek be egy szeizmológiai állomásra, hanem attól pozitív vagy negatív értelemben eltérővel. Az alábukott lemezek pozitív, míg a köpenyfeláramlások negatív reziduálokat okoznak. P és S hullámsebességekre lefordítva ez azt jelenti, hogy az alábukó litoszféralemezek nagyobb, a köpenyfeláramlások pedig kisebb sebességű anomáliát hoznak létre környezetükhöz viszonyítva – hangsúlyozta Prof. Dr. Pál-Molnár Elemér, az SZTE Geológia Tanszék tanszékvezetője.

Hogyan értelmezhetjük a földrengések, a vulkanizmus és a tektonikai lemezmozgások geodinamikai hátterét, vagyis milyen belső folyamatok hozzák létre ezeket a földfelszíni jelenségeket?

– A Föld belső szerkezete egy dinamikusan változó rendszer, amelyet a lemeztektonika és a köpenykonvekció mozgat. A földrengéseket alapvetően a litoszférában felgyülemlett energia hirtelen felszabadulása okozza. Ez az energia általában a tektonikai lemezek mozgásából származik. A litoszféra, a külső szilárd réteg, tektonikai lemezekre tagolódik, amelyek az asztenoszférán mozognak. Konvergens lemezhatárokon a litoszféra az asztenoszférába bukik, ezt a folyamatot szubdukciónak nevezzük. Az alábukó litoszféra lemez nem olvad meg! A köpenyben a növekvő nyomás és hőmérséklet fázisátalakulásokat idéz elő a litoszféra kőzeteit alkotó ásványokban. 410 km-es mélységben az olivin spinellé alakul, ez a hőtermelő (exoterm) folyamat gyorsítja a lemez süllyedését, és húzóerőt biztosít számára. Ezzel szemben 660 km-es mélységben a spinel perovszkitra való átalakulása hőnyelő (endoterm) reakció, amely lassítja a süllyedést, és akár meg is akaszthatja a lemezt. Ha a felszínen a konvergencia folytatódik, a lemez a 660 km-es határon vízszintesen elterülhet. A teljes fázisátalakulás után a lemez folytatja útját az alsó köpenybe, ahol a nagyobb viszkozitás miatt a süllyedés lelassul, és a lemez feltorlódik. Végül a lemez a mag/köpeny határán lévő D’’ rétegben, a "litoszféra-temetőben" ér véget, olvad meg – tudtuk meg Dr. Szemerédi Mátétól, az SZTE Földrajz- és Földtudományi Intézet adjunktusától.

A D’’ rétegből köpenyoszlopok emelkednek fel. Két hatalmas szuperfelboltozódás található a köpenyben, Afrika és a Csendes-óceán alatt, de a 660 km-es fázishatár akadályozza terjedésüket. Az elsődleges köpenyoszlopok a szuperfelboltozódásoktól elkülönülve helyezkednek el, a másodlagos köpenyoszlopok a szuperfelboltozódásokból indulnak. Mind az elsődleges, mind a másodlagos köpenyoszlopok a köpeny részleges olvadásával vulkanizmust okoznak. A litoszféra a köpeny külső termikus határrétege, részt vesz a konvekcióban, és repedéseinél passzív feláramlás történik. Ez a dinamikus rendszer formálja folyamatosan a Föld belső szerkezetét, és ez határozza meg a felszíni folyamatokat is.

Kislexikon

Konvektív: A kifejezés a konvekcióval, azaz a hőmérsékletkülönbség okozta áramlással kapcsolatos jelenségekre utal.

Konvergens: A szó jelentése "összetartó". A lemeztektonikában a konvergens lemezszegélyek olyan területek, ahol két vagy több tektonikai lemez egymás felé mozog. Ezeken a területeken gyakoriak a földrengések, a vulkánok és a hegységképződés.

Olivin: egy gyakori magnézium- és vastartalmú szilikátásvány, amely a földköpeny és a kéreg jelentős részét alkotja.

Perovszkit: Egy ásvány és egy kristályszerkezet megnevezése. A perovszkit eredetileg a kalcium-titanát (CaTiO₃) ásvány neve, a "perovszkit" kifejezés azonban ma már inkább egy kristályszerkezetre utal, amelyet számos különböző vegyület is felvehet.

Primer hullám (vagy P-hullám): A földrengések során keletkező egyik típusú szeizmikus hullám. Ezek a hullámok a leggyorsabban terjednek a földkéregben, ezért a szeizmográfokon elsőként észlelhetőek.

Reológia: Az anyagok deformációjával és folyásával foglalkozó tudományág, különös tekintettel arra, hogyan reagálnak az anyagok a rájuk ható erőkre. Ez a terület áthidalja a szilárdtestfizika és a folyadékmechanika közötti szakadékot, és az anyagok viselkedésének széles spektrumát vizsgálja.

Reziduál: A reziduális szó jelentése "maradék" vagy "maradvány". Itt a mért érkezési idő és a számított (modell szerinti) érkezési idő közötti különbséget jelenti.

Spinell: A természetben előforduló ásványok egy csoportjának gyűjtőneve, melyek közös kémiai és kristályszerkezettel rendelkeznek. A legismertebb és leggyakoribb spinell a magnézium-alumínium-oxid (MgAl₂O₄), de számos más variáció is létezik, amelyek különböző fémeket tartalmaznak.

Szeizmográf: A földrengések mérésére és rögzítésére szolgáló műszer. A készülék a földrengések által keltett szeizmikus hullámok, azaz a földkéregben terjedő rezgések intenzitását és időbeli lefolyását rögzíti.

Szeizmológia: A földrengésekkel és a földkéregben terjedő rugalmas hullámokkal foglalkozó tudományág. A geofizika egyik ága, amely a földrengések keletkezésének, terjedésének és hatásainak vizsgálatára összpontosít.

Szekunder hullám (vagy S-hullám): A földrengések során keletkező másik fő típusú szeizmikus hullám. Ezek a hullámok lassabban terjednek, mint a primer hullámok (P-hullámok), ezért a szeizmográfokon másodikként észlelhetőek.