Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret

Földköpeny

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Anyag-időszak     

A Föld metszeti ábrája  --   A Föld belső szerkezete a magtól a felső köpenyig

A földköpeny a földmagot beburkoló vastag, mintegy 2900 km széles rendkívül magas viszkozitású, helyenként szilárd réteg. Alsó határa a külső földmaggal, felső határa pedig a földkéreggel kapcsolja össze. A földköpeny határfelületeit (akárcsak a többi földburok esetében) a Föld belsejében terjedő földrengések okozta hullámok vizsgálata segítségével állapították meg. Ezek a hullámok mintegy átvilágítják a Földet. Az anyag hirtelen halmazállapot-, szerkezet, sűrűségváltozási felületein sebességük és irányuk megváltozik, részben visszaverődnek.

A földrengéshullámok igen éles határt jeleznek 2900 km mélységben. Ezt nevezik Gutenberg-Wiechert felületnek, mely a földköpenyt határolja el a földmagtól. A földköpeny és földkéreg közötti határfelületet Mohorovičić-felületnek (vagy röviden Moho) nevezik. Ez átlag 30–40 km mélységben húzódik a felszín alatt. Alatta a földrengéshullámok sebessége ugrásszerűen megnövekszik. A földköpeny és a földmag határán (a köpeny legalsó rétegeként) egy vékony, úgy 200 kilométeres réteg is található, az ún. „D-réteg”.

A köpeny a Föld térfogatának 82%-át, tömegének pedig 68%-át adja, noha átlagsűrűsége csak feleannyi, mint a magé (4,5 g/cm³). A földrengés-vizsgálatok szerint a köpeny szilárd halmazállapotú és főleg vasban és magnéziumban gazdag szilikátok építik fel.

A köpeny sem teljesen egységes összetételű, benne is több határfelület különíthető el, mely feltehetően az anyag ugrásszerű sűrűségváltozásait tükrözi. 1000 km mélységben található a Repetti-felület, mely az alsó köpenyt választja el a felső köpenytől. A felső köpeny 1000–400 km mélységek közötti részét gyakran átmeneti övnek nevezik és felső köpenynek gyakorta csak a 400–30 km közé eső burkot nevezik. A mezoszféra a földköpeny alsó része, mely az asztenoszféránál ridegebb, de a földkéregnél viszkózusabb. A földmag külső határától (2900 km) 700 km-ig terjed és magába foglalja a köpeny jelentősebb részét.

A köpenyben jelentkező határfelületek és a köpeny övessége magyarázhatók a rugalmassági tulajdonságok változásaival ezeken a határokon, illetve magyarázhatók a növekvő nyomás és hőmérséklet hatására beinduló fázisátalakulásoknak az ásványok szerkezetében. A lazább kristályszerkezetek elveszítik stabilitásukat egy mélyebb, nagyobb nyomású zónában, ahol jobb térkihasználású, sűrűbb szerkezetek a stabilabbak. Például a földpátok 10 kbar-nál nagyobb nyomású fázisai a gránátok. Az ensztatit is például nagyobb nyomáson olivin-szerkezetet vesz fel. Ebből az következik, hogy nem szükséges eltérő kémiai összetétel a köpenyen belül, mivel a sűrűség növekedését fázisátalakulásokkal, szorosabb illeszkedésű kristályszerkezetek létrejöttével is lehet magyarázni.

A köpenyt alkotó kémiai elemek aránya:

Kémiai elem      Mennyiség          Vegyület       Összetétel

O                            44,8

Si                    21,5                     SiO₂             46

Mg                        22,8                      MgO            37,8

Fe                           5,8                      FeO              7,5

Al                     2,2                      Al₂O₃            4,2

Ca                    2,3                      CaO              3,2

Na                    0,3                     Na₂O             0,4

K                      0,03                   K₂O              0,04

Összesen        99,7                    Összesen    99,1

Az alsó köpenyben valószínűleg a spinell, gránát és jadeit ásványok lehetnek többségben, míg a felső köpenyben peridotitok (olivin és piroxén keveréke)

A köpeny hőmérséklete 500-900 °C között mozog a felső határán, azonban eléri a 4000 °C-ot is a mag felé haladva. Noha a magas hőmérséklet a köpeny és a földkéreg összes alkotó ásványának az olvadáspontját meghaladja, a magas nyomás meggátolja az olvadást. A köpeny alsó részében a nyomás közel 136 GPa.

A földköpeny szilárdsági és viszkozitási viszonyokat figyelembe vévő osztályozása esetén két rész különíthető el:

          mezoszféra – az asztenoszféránál ridegebb, de a földkéregnél viszkózusabb öv,

                    mely a földmag külső határától (2900 km) 700 km-ig terjed és magába foglalja a köpeny jelentősebb részét.

          asztenoszféra – a Föld felső köpenyének alsó, képlékeny, közvetlenül a litoszféra alatt található része

Szeizmológiai mérések alapján a köpeny több jól elkülönülő részre osztható. A felső köpeny a kéreg alatti 7-35 kilométeres mélységtől 410 kilométerig terjed. A felső köpeny legfelső rétege szilárd, az alsó része képlékeny. Előbbit és a kérget együtt litoszférának nevezzük, utóbbit pedig asztenoszférának. A litoszféra alja kb. 100–150 km, az asztenoszféráé kb. 410 km.

Asztenoszféra

Az asztenoszféra a Föld felső köpenyének alsó, képlékeny, közvetlenül a litoszféra alatt található része, a köpeny ún. B szintje. Felső határa értelemszerűen megegyezik a litoszféra alsó határával, és mintegy 100–150 km mélyen húzódik, alsó határa kb. 410 km mélyen van. Legfőbb jellemzője az anyagáramlás: mivel a Föld belsejéből kifelé áramló hőt egyszerű hőátadással nem tudja elvezetni, benne áramlási, ún. konvekciós cellák alakulnak ki. Ennek az anyagáramlásnak az eredménye egyrészt a litoszféralemezek mozgása, másrészt a vulkánosság és a tágabb értelemben vett magmatizmus: a magmák több mint 90%-a az asztenoszférában olvad ki. Az óceáni kőzetlemezek alatt értelemszerűen vékonyabb, mint a kontinentális lemezek alatt. Felső része kevésbbé viszkózus és legkisebb sűrűségű és ezért a burok leggyengébb része, ezt nevezik kis sebességű övnek. A magmaképződés nagyrészt ebben az övben megy végbe.

A képlékenységet a viszkozitással fejezzük ki. A földköpeny anyagának képlékenysége a mindennapi érzekelésünk szerint rendkívül viszonylagos, inkább mondanánk szilárdnak, a viszkozitási érték 10²¹ és 10²⁴ Pascal·másodperc (Pa·s), a mélységtől függően. (Összehasonlításul például a víz viszkozitása 10⁻³ Pa·s, míg a bitumené 10⁷ Pa·s. A felső köpeny alatt az átmeneti réteg, vagy mezoszféra található, amely 660 km mélységig tart. Ez a réteg nagyon bonyolult geológiailag (az áthaladó rengéshullámok sebessége térségenként változó) és markánsan elválasztja a felső köpenyt az alsó köpenytől. Az alsó köpeny pedig a 660-2900 kilométer közötti mélységet tölti ki. Ez utóbbiról viszonylag kevés ismeretünk van, azt viszont tudjuk, hogy szeizmológiailag lényegében homogén gömbhéj.

A Föld tömegének 68%-a a földköpenyben található, miközben a térfogat 84%-át képviseli. Anyagát feltételezések szerint vasban és magnéziumban gazdag szilikátok alkotják.

A köpeny övessége rugalmassági tulajdonságok változásaival, illetve a növekvő nyomás és hőmérséklet hatására az ásványok szerkezetében beinduló fázisátalakulásokkal magyarázható. A köpeny hőmérséklete és a benne uralkodó nyomás a mélységgel változik: a kéreg határánál 500 és 900 °C közötti, míg a maggal határos alsó részeken hozzávetőleg 4000 °C feletti hőmérséklet uralkodik. paradox módon bár a legtöbb kőzet olvadáspontja legfeljebb 1200 °C és a köpeny nagy részében ennél melegebb van, a köpeny fizikai tulajdonságait tekintve gyakorlatilag szilárdnak tekinthető. A köpeny alsó részében a nyomás közel 136 GPa. A felszínen tapasztalható vulkáni működés vagy lemeztektonika a köpenyben működő mechanizmusok hatására működő folyamat.

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Anyag-időszak     

-------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%B6ld

http://hu.wikipedia.org/wiki/Asztenoszf%C3%A9ra

http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%B6ldk%C3%B6peny

http://hu.wikipedia.org/wiki/Mezoszf%C3%A9ra_(geol%C3%B3gia)