raadio KUKU 29. mai saates Loodusajakiri
Maa siseehituse uurimine aitab mõista nii Maa enese kui ka teiste Päikesesüsteemi planeetide teket, arengut ning neis toimuvaid protsesse.
Võimalus Maa sisemust otseselt vaadelda on üsna piiratud: maailma sügavaim puurauk Venemaal Koola poolsaarel ulatub 12,26 km sügavuseni. Sügavamale puurimast takistab Maa sisesoojus, mis 12 km sügavusel on 180 °C ringis ning sulataks üles puurimisel kasutatavad materjalid. Lisaks on geoloogidele kättesaadav kuni 300 km sügavuselt pärit kivimmaterjal, mille on maakoore ülemistesse kihtidesse ja maapinnale kandnud kimberliitsed magmad. 300 km on aga vaid 1/21,2 Maa raadiusest (ekvatoriaalne ja polaarne raadius on vastavalt 6378 ning 6357 km). Seega pärineb enamik meie praegustest teadmistest Maa sisemuse kohta kaudsetest, geokeemilistest ja geofüüsikalistest allikatest. Keemiliste meetoditega analüüsitakse materjalide koostist, kasutades selleks elementide jaotuse seaduspärasusi. Füüsikaliste meetodite puhul mõõdetakse seismiliste lainete levikukiirusi ja kivimite tihedust ning tehakse järeldusi, rakendades termodünaamika reegleid, eksperimenteerides suure rõhu ja temperatuuri juures.
Enim informatsiooni Maa sisemuse kohta annab seismoloogiline meetod. Maavärina poolt tekitatavad seismilised lained läbivad tuhandeid kilomeetreid ja deformeerivad seejuures läbitavat keskkonda elastselt. Seismomeetri abil saab katkematult registreerida nende lainete saabumisaega, amplituudi ja faasi.
Lainete saabumisaeg on seotud levikukiirusega, mis ei sõltu maavärina intensiivsusest, vaid läbitava keskkonna tihedusest, olekust ja elastsetest omadustest - mida kergem on materjali deformeerida, seda aeglasem on laine.
Seismilised lained võivad liikuda piki eri keskkondade piirpinda, need on pinnalained, või keskkonda läbida, need on kehalained. Pinnalainetel on suurem amplituud, mistõttu nendega seostuvad maavärinatega kaasnevad purustused. Maa sisu uurimiseks kasutatakse peamiselt kehalaineid, mida on kahte tüüpi: piki- ja ristilained. Pikilaine, mille puhul keskkond liigub laine läbimisel piki laine levikusuunda, on võimeline läbima nii tahkeid kui vedelaid keskkondi. Ristilaine, mille suhtes aines liigub risti laine levikusuunaga, ei läbi vedelaid keskkondi ning selle levikukiirus on ligikaudu 1,7 korda väiksem kui pikilainel. Juhul kui laine poolt kantud seismiline energia jõuab kahe füüsikalistelt omadustelt erineva keskkonna piirpinnani, jaguneb see kaheks: piki- ja ristilainete poolt kantuks.
Masside jaotuse kohta Maa sisemuses annab infot raskusjõu kiirenduse uurimine. Maa magnetväli ja selle muutused annavad teavet Maa välistuumas toimuvate pöörisvoolude kohta ning soojusvoo ja soojusjuhtivuse uuringud sisemuses valitseva temperatuuri kohta. Litosfääri ja astenosfääri uuringutel kasutatakse ka elektrilisi meetodeid, mille puhul rakendatakse info kandjatena looduslikke telluurseid voolusid.
Klassikaline seletus: Maa keemiline koostis
Maa siseehituse klassikaline esitusviis - maakoor-vahevöö-tuum - baseerub Maa keemilisel koostisel, võttes aluseks ränidioksiidi (SiO2) sisalduse. Nii on maakoor paksusega 25-70 km, st kontinentaalne, või 5-10 km, st ookeaniline, ränirikas, sisaldades 50-70 protsenti ränidioksiidi. Maakoort eristab raua- ja magneesiumirikastest silikaatide kooslustest ehk vahevööst Moho pind, mis on saanud nime avastaja, Horvaatia seismoloogi Andrija Mohorovičići (1857-1936) järgi. Vahevöö ülaosa kivim peridotiit sisaldab ~40-45 protsenti ränidioksiidi. Moho pinnal suureneb seismiliste pikilainete levikukiirus järsult 6-7 km/s (ülal) kiiruseni 8 km/s (all), mis tuleneb siin kivimite koostise, mitte struktuuri muutusest. Järgmine järsk levikukiiruse muutus, seekord vähenemine (pikilainete puhul 13 km/s vahevöö alumises osas, 8 km/s tuuma ülemises osas) toimub vahevööd ja tuuma eraldaval Gutenbergi pinnal, mille avastaja on Saksa geofüüsik Beno Gutenberg (1889-1960). Samas suureneb aga järsult materjali tihedus. Maa tuum, mis moodustab umbes kolmandiku Maa massist, koosneb raua ja nikli sulamist, kusjuures niklit on seal vaid mõni protsent.
Modernne seletus
Arvestades ka ainese mehaanilisi olekuparameetreid, moodustavad maakoor ja vahevöö kõige ülemine osa suhteliselt jaheda, tahke ja jäiga sfääri ehk litosfääri, mille paksus sarnaselt maakoore paksusega on kontinentide all suurem (40-200 km) kui ookeanide all (50-100 km).
Pindalaliselt jaguneb litosfäär laamadeks, mis Maa sisejõudude toimel üksteise suhtes ajapikku liiguvad. Litosfääri alla jääv astenosfäär, sügavusega kuni ~670 km, erineb litosfäärist oluliselt suurema viskoossuse poolest, olles seega plastiline ja võimaldades litosfääril horisontaalsuunas nihkuda. Neid liikumisi kirjeldab laamtektoonika, millega seostub ka mandrite triiv. Sisaldades võib-olla vähesel määral sulamaterjali, on astenosfäär siiski tahkes olekus; tinglikult võib seda vaadelda voolavana miljonitesse aastatesse ulatuvas ajaskaalas ja kirjeldada temas toimuvaid ainese pöörlevaid liikumisi. On tõestatud, et astenosfääri ülemises osas (ingl low-velocity zone) on seismiliste lainete kiirus madal ning materjali elektrijuhtivus oluliselt suurem kui maakoore ja astenosfääri alla jäävas mesosfääris. Neid fakte seostatakse vee ja süsinikdioksiidi sisaldusega, mis selles sfääris valitseva temperatuuri ja rõhu juures eralduvad mineraalide kristallstruktuurist ning alandavad seeläbi materjali sulamistemperatuuri. Sulamaterjali hulk on aga suhteliselt väike, jäädes eri andmetel igal juhul alla 10 protsendi, tõenäolisemalt vaid mõne protsendi piiresse. Samas on sulanud kivimite esinemise teooriat kritiseeritud ja väidetud, et astenosfääri plastse käitumise põhjustab just kristallstruktuuris esinev ja sinna jääv vesi. Astenosfääri sügavamas osas (sügavustel 410, 520 ja 670 km) suureneb seismiliste lainete levikukiirus järsult, mida seostatakse juba 1930. aastatest rõhu suurenemisest tingitud silikaatsete mineraalide faasimuutustega tihedama aatomstruktuuri suunas.
Astenosfääri-alune vahevöö osa on nimeks saanud mesosfäär, et aga sama nime kannab atmosfääri-sisene mesosfäär kõrgusel 50 kuni 80-90 km, kasutatakse segaduste vältimiseks sagedamini mõistet alumine vahevöö. Võrreldes astenosfääriga on alumine vahevöö jäigem. Selles muutub sügavuse suunas praktiliselt lineaarselt lainete levikukiirus ja tihedus, kusjuures teravad füüsikaliste omaduste muutused puuduvad. Vahevöö kõige alumine, paksuselt varieeruv osa on nimetatud D´´ kihiks. Kiht on keemiliselt teistsugune kui vahevöö, olles kaltsiumi-, alumiiniumi- ja titaanirikkam; samas on see füüsikalistelt omadustelt praktiliselt muutumatu ehk madala gradiendiga.
Umbes 2900 km sügavusel asuv Gutenbergi pind esindab olulist keemilist ja füüsikalist muutust, eraldades silikaatse ja tahke vahevöö metalsest ja vedelast välistuumast. Välistuuma vedela oleku tõestuseks on pikilainete levikukiiruse järsk vähenemine ja ristilainete hääbumine sellel pinnal. Aine omaduste järsk muutus Gutenbergi pinnal kutsub esile maavärinast sinnani jõudvate seismiliste lainete järsu murdumise, mille tulemusena pikilained ei ole registreeritavad nn varjuvööndis - kaugusel 103°-142° arvates maavärinast. Ristilained ei saabu maavärinast kaugemale kui 103°. Välis- ja sisetuuma piiril toimub omakorda järsk seismiliste lainete levikukiiruste suurenemine. Ristilained vedelat välistuuma ei läbi, küll aga tekivad nad uuesti sisemise ja välimise tuuma piiril pikilaine poolt kantava energia jaotumisel ning esinevad sisemises tuumas, tõestades, et sisemine tuum on tahkes olekus. Välistuuma tihedus on mõnevõrra väiksem, kui oleks puhtal raual tuumas valitseva temperatuuri ja rõhu juures (vastavalt 3500...6600 ºC ja 1,4...3,6 Mbar), mistõttu välistuum sisaldab lahustunud kujul mõningaid Päikesesüsteemis laialdaselt levinud kergemaid elemente: väävlit, hapnikku, vesinikku, räni ja süsinikku. Sisetuum aga kergemaid elemente praktiliselt ei sisalda, mis viitab sisetuuma jätkuvale, aga aeglustuvale moodustumisele välistuuma materjali (raua) arvelt.
Kauge ja tundmatu tuum
Meie teadmised ajaloost on seda lünklikumad, mida kaugemat minevikku vaatleme. Maa sisemuse uurimisega on samuti - mida sügavamale püüame vaadata, seda vähem infot ja detaile teame. Kuna tuumas valitsevat temperatuuri ja rõhku on laboritingimustes keeruline jäljendada, pakkus tuuma dünaamika aastakümneid huvi vaid Maa magnetismiga tegelevatele teadlastele. Nimelt pärineb ~95 protsenti maapinnal mõõdetavast magnetväljast Maa tuumast. Kuigi siinkohal on oluline ka sisetuuma mõju, paikneb magnetvälja allikas siiski välistuumas, kaasnedes Maa pöörlemisest mõjutatud vedela ainese ringlemisega (nn dünamoteooria).
Maa tuuma uuringud on viimasel aastakümnel seoses arvutustehnika kiireneva arenguga intensiivistunud ning muutunud interdistsiplinaarseks. Nii on avastatud, et sisetuuma läbimõõt kasvab aastas umbes sentimeetri, et sisetuum pole kaugeltki ideaalse sfääri kujuga, ning on seismiliselt anisotroopne nagu teisedki sfäärid, kusjuures lained levivad kiiremini Maa pöörlemisteljega paralleelses suunas.
Üldistav mudel
1981 avaldatud PREM (Preliminary Reference Earth Model) mudel üldistab tolleks hetkeks teada olnud faktid, vaadeldes Maad koosnevana sümmeetrilistest sfääridest. Kuigi tegelikkuses on pilt seoses Maa-sisese ainese pideva liikumisega oluliselt keerukam, ei ole etemat mudelit siiani loodud. Jääb mulje, et parema loomiseks ei tehta ka erilisi jõupingutusi ja eri uuringute tulemusi esitatakse just PREM-i suhtes. Lisanduvate uuringute puhul jäävad lahknevused idealiseeritud mudelist seismiliste lainete levikukiiruste puhul vaid mõne protsendi piiresse, kusjuures erinevuse peamiseks põhjustajaks on Maa sisemuse pidev aeglane konvektsiooniline liikumine. Liikumiseks aga kulub energiat. Oluliseks Maa-siseseks energiaallikaks on sisetuuma pinnal toimuv raua ja nikli kristallisatsioon, mis põhjustab lahuse vaesestumise raskematest elementidest, kuumenemise, gravitatsioonilise ebastabiilsuse ja kerke. Ülal materjal jahtub, muutub tihedamaks ja vajub gravitatsiooni mõjul taas sügavusse. Kuna välistuuma materjali viskoossus on võrreldav vee viskoossusega, on konvektsioon suhteliselt kiire, ulatudes 10 km-ni aastas. Tuumasisene konvektsioon, mis kuumutab alumist vahevööd, tekitab omakorda vahevöösisese konvektsiooni. Küsimusele, kas vahevöös eksisteerivad välistuumast litosfäärini ulatuvad kogu sfääri hõlmavad konvektsioonirakud või on konvektsioon kahekihiline, olles eraldatud 670 km piiriga, pole tänaseni vastust leitud.
Seega on Maa-sisese dünaamika uurimisel veel vaja detailiseerida seismilist andmestikku, tihendades sarnaselt maismaal eksisteerivale ka ookeanipõhjas paiknevate observatooriumite võrku. Arvutustehnika edasine areng võimaldab luua realistlikumaid ainese liikumise mudeleid, võttes aluseks Maa magnetvälja ja selle ajalise muutumise. Need mudelid võimaldaksid omakorda täpsemalt hinnata soojusvoogusid ja soojusvahetust tuuma ja vahevöö piiril, ainese ja termilise konvektsiooni seoseid, täpsustada sisetuuma juurdekasvu määra ning ennustada Maa geoloogilist tulevikku.
LOE VEEL
- Rahvusvaheline Planeet Maa Aasta
- Anderson, D. L., Sammis, C. 1970. Partial melting in the upper mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 3: 41-50.
- Belonoshko, A. B., Skorodumova N.V., Rosengren A., Johansson B. 2008. Elastic anisotropy of Earth's inner core. Science, 319: 797-800.
- Buffett, B. A. 2000. Dynamics of the Earth's core. In: Karato, S., Forte, A.M., Liebermann, R. C., Maters, G., Stixrude, L. (eds) Earth's Deep Interior, American Geophysical Union, Washington: 37-62.
- Dziewonski, A. M., Anderson, D. L. 1981. Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25: 297-356.
- Karato, S., Jung, H. 1998. Water, partial melting, and the origin of seismic low velocity and high attenuation in the upper mantle. Earth and Planetary Science Letters, 157: 193-207.
- Kullerud, K. Web Geology
- Merrill, R. T., McElhinney M. E., McFadden P. L. 1998. The Magnetic Field of the Earth. Academic Press, New York.
- Poirier, J.-P. 1994. Light elements in the Earth's outer core: A critical review. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 85: 319-337.
