Miezul interior interior al Pământului
miezul interior solid (Fig . 1) este partea cea mai îndepărtată și enigmatică a planetei noastre și, lângă crustă, este cea mai mică subdiviziune „oficială” a interiorului Pământului. A fost descoperită în 1936 (1), iar până în 1972 sa stabilit că este solidă, deși cu o rigiditate foarte mică (2-4). Până în 1993 s-a stabilit că era cristalină (5)., Nucleul interior este izolat de restul de Pământ de low-vâscozitatea lichidului de bază exterior, și se poate roti, da din cap, clătina, precess, oscila, și chiar s-a răsturnat, fiind doar vag constrâns de jur scoici. Existența, mărimea și proprietățile sale constrânge temperatura și mineralogia din apropierea centrului Pământului. Printre caracteristicile sale anormale se numără rigiditatea și vâscozitatea scăzută (în comparație cu alte solide), atenuarea în vrac, anizotropia extremă și superrotația (sau deformarea; refs. 5–8)., Din vitezele seismice și abundența cosmică, știm că este compus în principal din cristale de fier-nichel, iar cristalele trebuie să prezinte un grad mare de orientare comună. Miezul interior este prezis de a avea conductivitate termică și electrică foarte mare, o formă nonsferice, și proprietăți dependente de frecvență; de asemenea, poate fi parțial topit. Poate fi esențial pentru existența câmpului magnetic și pentru inversarea polarității acestui câmp (D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price și M. Gillan, lucrare nepublicată)., Înghețarea miezului interior și expulzarea impurităților este probabil responsabilă pentru alimentarea geodinamului. Cu toate acestea, miezul interior reprezintă mai puțin de 1% din volumul Pământului și doar câteva valuri seismice ajung vreodată la el și se întorc la suprafață. Miezul interior este o țintă mică pentru seismologi, iar undele seismice sunt distorsionate trecând prin întregul Pământ înainte de a ajunge la el. Condițiile din apropierea centrului Pământului sunt atât de extreme încât atât teoreticienii, cât și experimentatorii au dificultăți în duplicarea mediului său., Cu toate acestea, a existat o rafală recentă de activitate despre miezul interior de seismologi, geochimiști, dinamici, oameni de știință materiale și teoreticieni geodinamo. Aproape tot ceea ce este cunoscut sau dedus despre miezul interior din Seismologie sau din inferența indirectă este controversat. În acest număr al PNAS, Ishii și Dziewoński (8) adaugă alte intrigi și complicații fenomenelor din apropierea centrului Pământului și sugerează o istorie complexă pentru acest mic obiect., aproape tot ceea ce se știe sau se deduce despre miezul interior, din Seismologie sau inferență indirectă, este controversat.
vedere a interiorului Pământului. Este prezentată relația volumetrică a diferitelor regiuni ale miezului cu întregul Pământ: miezul exterior (albastru pal) ocupă 15%, miezul interior (roz) ocupă mai puțin de 1%, iar miezul interior interior (roșu) constituie doar 0, 01% din volumul Pământului., Nucleul Pământului se află sub manta eterogenă de 3.000 km grosime (anomaliile cu viteză seismică mai mare decât media sunt prezentate în albastru, iar cele cu viteză mai mică decât media sunt afișate în roșu), ceea ce face ca investigațiile proprietăților miezului să fie dificile.planetele se diferențiază pe măsură ce se acumulează și câștigă energie gravitațională. Momentul acestei diferențieri este un obiectiv de lungă durată al științei Pământului (9-13). Stratificarea densității explică locațiile crustei, mantalei și miezului., Miezul interior este probabil, de asemenea, rezultatul stratificării chimice, deși efectul presiunii asupra punctului de topire ar genera un miez interior solid, chiar dacă ar fi identic chimic cu miezul exterior. Materialele cu densitate scăzută sunt excluse atunci când solidificarea este lentă, astfel încât miezul interior poate fi mai pur și mai dens decât miezul exterior. Ca miezul interior cristalizează și nucleul exterior se răcește, materialul a avut loc în soluție și suspensie va placa, sau să deconteze, la baza mantalei limită și poate fi încorporat în cel mai de jos manta., Mantaua este de obicei tratată ca un strat omogen din punct de vedere chimic, dar acest lucru este puțin probabil. Silicații mai densi, posibil bogați în siliciu și fier, gravitează și spre părțile inferioare ale mantalei. Materialele mantalei crustale și superficiale au fost transpirate din pământ pe măsură ce s-au acumulat, iar unele aparent nu au fost niciodată în echilibru cu materialul de bază., Efectul presiunii asupra proprietăților fizice implică faptul că mantaua și miezul probabil stratificat ireversibil la acumulare, că numai învelișurile exterioare ale mantalei participă la procese de suprafață, cum ar fi vulcanismul și tectonica plăcilor, și că numai straturile mai profunde interacționează în prezent cu miezul.crusta, mantaua superioară, mantaua inferioară, miezul și miezul interior sunt subdiviziunile manualului din interiorul Pământului. Tomografia seismică este utilizată pentru a cartografia variațiile laterale la scară largă în aceste subdiviziuni majore., Tehnici seismice de rezoluție mai mare au fost folosite pentru a descoperi și harta caracteristici la scară mică în partea de sus și de jos a miezului (14-16). Limitele clasice din interiorul Pământului (6) au fost descoperite în prima parte a secolului trecut. În anii 1960, limitele interne ale mantalei au fost descoperite la adâncimi de 400 și 650 km și au fost atribuite schimbărilor de fază solid–solid (17), spre deosebire de celelalte care sunt limite chimice sau de solidificare. Mai recent, o discontinuitate chimică probabilă a fost găsită adânc în manta (16), iar alta a fost dedusă aproape de 900 km (18)., Discontinuitățile seismice sunt găsite în mod convențional prin reflexia și refracția undelor seismice, dar recent au fost folosiți factori precum anizotropia, atenuarea, împrăștierea, densitatea spectrală și decorrelațiile statistice pentru a găsi caracteristicile mai subtile. Noua regiune adânc în miezul interior reprezintă o schimbare a caracterului modelului anizotropic (8) și poate reprezenta un fenomen fundamental diferit.
controversa de lungă durată cu privire la o extragere (100 de milioane de ani) vs., o acumulare terestră rapidă (≈1 milion de ani) pare să se rezolve în favoarea scalelor de timp mai scurte și a unei origini la temperaturi ridicate. Datele geofizice necesită acumularea rapidă a Pământului și formarea timpurie a miezului (9). Până de curând, acumularea rapidă a fost în contradicție cu teoria accrețională și datele izotopice, dar acum, aceste discipline favorizează și o scară de timp contractată. O varietate de izotopi au confirmat intervale scurte de timp între formarea sistemului solar și procesele de diferențiere planetară (10-13)., Această constatare are legătură cu vârsta miezului interior și cu istoria sa de răcire.există trei mecanisme destul de diferite pentru realizarea unui nucleu planetar. În omogenă de acumulare ipoteză, silicați și metale unesc împreună, dar, ca Pamantul se incalzeste, metale grele se infiltreze în jos, în cele din urmă formează mari acumulări dense care se scufundă rapid spre centru, luând siderophile elemente cu ei., În ipoteza de acumulare heterogenă, condensatele refractare (inclusiv fierul și nichelul) dintr-o nebuloasă de răcire încep să formeze nucleul unei planete înainte ca cea mai mare parte a silicaților și a volatilelor să fie disponibile. Furnirul târziu contribuie la condensate și gaze la temperaturi scăzute, inclusiv apă, din zonele îndepărtate ale sistemului solar. În cele din urmă, impacturile târzii mari pot injecta eficient și rapid nucleele lor metalice în centrul planetei afectate și pot declanșa o separare suplimentară a fierului de manta. Luna este un produs secundar al unuia dintre aceste impacturi târzii., Prin urmare, materialul din miez poate avea origini multiple și o istorie complexă. Alte probleme legate de miezul interior implică vârsta, rata de creștere, densitatea, temperatura, textura și sursele interne de energie (refs. 8 și 19-21, și D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price și M. Gillan, lucrare nepublicată).miezul exterior este de obicei considerat a fi complet topit datorită vâscozității sale scăzute și incapacității de a transmite undele de forfecare. Cu toate acestea, ar putea conține mai mult de 50% cristale suspendate și încă se comportă ca un fluid., Limita miezului interior ar putea reprezenta apoi trecerea geotermei cu curba de topire (explicația convențională) sau o limită de compactare în care densitatea particulelor suspensiei depășește un prag. Se presupune, de obicei, că miezul exterior este omogen, în întregime fluid și convectează turbulent. Miezul interior poate conține, de asemenea, o fracție de topire substanțială, în special dacă există un interval mare între solidus și liquidus. De asemenea, s-a propus ca miezul interior să fie un fluid vâscos sau o sticlă metalică (19)., Noile rezultate privind anizotropia fac acest lucru puțin probabil. Vâscozitatea scăzută, dedusă a miezului interior înseamnă că se poate deforma și convecta de influența tensiunilor de maree și de rotație și a mișcărilor miezului exterior, precum și de tensiunile generate intern. Miezul interior este unul dintre puținele locuri din interior unde s-ar putea aștepta să vadă schimbări pe o scară umană. Poate prezenta rotație diferențială semirigidă în raport cu mantaua, dar și, și mai probabil, deformare nerigidă sau plastică. Anizotropia este un indicator al unei astfel de deformări sau convecții.,cristalele sunt anizotrope și tind să fie orientate prin sedimentare, congelare, recristalizare, deformare și flux. Prin urmare, ne așteptăm ca porțiunile solide ale pământului să fie anizotrope pentru propagarea undelor seismice și a altor proprietăți materiale. În ciuda acestor așteptări, seismologia a continuat și a înflorit cu ipoteza izotropiei până în anii 1960. în acest moment, teoria anizotropiei seismice a fost elaborată și observațiile au verificat așteptările (vezi referințele din ref. 6)., Cu toate acestea, majoritatea seismologilor au ignorat anizotropia până destul de recent în progresul seismologiei. Nu numai că anizotropia este un instrument util pentru determinarea compoziției, mineralogiei și deformării din Seismologie, dar modelele Pământului bazate pe izotropie pot fi complet greșite. Anizotropia nu este pur și simplu o mică perturbare a unui pământ esențial izotropic. Variația vitezei undelor seismice în funcție de direcție poate fi mai mare decât cele cauzate de temperatură și compoziție., În cazul miezului interior interior (8), undele seismice penetrante călătoresc aproape radial, astfel încât foarte puține informații pot fi extrase, cu excepția variației timpului de călătorie cu azimut, de exemplu, căi ecuatoriale vs.polare sau cu unde care se propagă în direcții diferite în planul ecuatorial. Dimensiunea zonei Fresnel limitează, de asemenea, rezoluția seismică a miezului cel mai interior. Din fericire, cristalele de fier de înaltă presiune au o anizotropie mare (21, 22); în caz contrar, se poate spune puțin despre eterogenitatea sau rotația/deformarea miezului interior.,forma și țesătura miezului interior sunt afectate de forțele gravitaționale din manta, de tensiunile electromagnetice și vâscoase din miezul exterior și de tensiunile de rotație și de maree. Aceste tensiuni provoca fluxul de plastic ireversibile, alinierea cristal, și recristalizare. Anizotropia seismică este un rezultat.miezul interior este supus unei varietăți de solicitări externe care implică variații ale parametrilor orbitali și rotativi, mareelor, remorcherelor gravitaționale din manta, tracțiunii vâscoase a miezului exterior și forțelor electromagnetice., De asemenea, poate genera tensiuni interne prin variații termice și chimice, anizotropie și răcire și răspunde la acestea prin flux poros, rotație diferențială, convecție și deformare și crearea anizotropiei materiale. Anizotropia se poate forma și prin înghețarea miezului interior și sedimentarea pe suprafața sa. Eterogenitatea la scară mică, de exemplu, poate topi canalele sau țesătura de exsoluție și poate genera, de asemenea, anizotropie aparentă.explicația convențională a formării miezului interior solid implică răcirea lentă și cristalizarea., Deoarece temperatura de topire crește odată cu presiunea, miezul se va solidifica din centru spre exterior. Dar acest efect înseamnă, de asemenea, că, pe măsură ce presiunea crește din cauza acumulării, miezul poate îngheța sub presiune atunci când Pământul atinge o dimensiune critică, cu excepția cazului în care există o cantitate mare de supraîncălzire. Deși știm că câmpul magnetic este vechi și că un nucleu interior solid și în creștere poate fi esențial pentru existența sa, este posibil ca evenimente catastrofale, cum ar fi impactul formării lunii, să fi determinat reformarea miezului interior de una sau de mai multe ori., Supraîncălzirea inițială și creșterea episodică vor rezolva, eventual, unele dintre problemele energetice actuale (ref. 20, și D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price și M. Gillan, lucrare nepublicată). Un nucleu interior în creștere este necesar pentru alimentarea dinamului actual, dar răcirea rapidă ar fi putut alimenta vechiul dinam (D. Gubbin, D. Alfe, G. Masters, D. Price și M. Gillan, lucrare nepublicată). Prin urmare, miezul interior poate fi mult mai tânăr decât Pământul. Eterogenitatea și anizotropia miezului interior pot ajuta la constrângerea istoriei sale aparent complexe.,
miezul interior are o mare varietate de probleme geofizice, geochimice (23), de câmp magnetic și planetare. Anizotropia nu este doar un parametru important care afectează dinamica miezului, ci face posibilă și caracterizarea și monitorizarea miezului interior. Anizotropia a devenit un instrument indispensabil pentru seismologi, mai degrabă decât deranjul a fost odată luat în considerare. Iar perspectiva de a găsi diferențe data viitoare când ne uităm oferă o emoție neobișnuită în majoritatea eforturilor de cartografiere de rutină.
note de subsol
-
↵* E-mail: dla{at}gps.caltech.edu.,a se vedea articolul însoțitor de la pagina 14026.