طبقات الأرض بالترتيب: كيف تكشفها موجات الزلازل؟

ما الذي تراه

طبقات الأرض بالترتيب من الخارج هي القشرة والوشاح واللب، وتكشفها موجات الزلازل. النموذج أعلاه أرض أزيل منها إسفين بمقياس متناسب: اختُصر نصف قطرها البالغ 6,371 km إلى نصف متر على الشاشة، ووضعت الطبقات على وجهي القطع عند أعماق PREM، النموذج المرجعي الأولي للأرض الذي نشره Adam Dziewonski وDon Anderson عام 1981. ما زال المرجع القياسي الذي يقارن به علماء الزلازل قياساتهم، ويعطي الكثافة وسرعة الموجات عند كل عمق بصيغ بسيطة.

حرّك منزلق العمق في تبويب التحكم فتنتقل حلقة بيضاء من السطح نحو المركز. تعرض اللوحة أعلى اليسار قيم PREM لذلك العمق: الكثافة وسرعتي نوعي الموجات، والضغط والجاذبية اللذين حسبناهما من الكثافة. أما الحرارة فليست من PREM؛ إنها تقدير مقرب بالدرجات المئوية من أبحاث منشورة، ويشرح قسم اللب مقدار عدم اليقين فيها.

اضغط التشغيل فيحدث زلزال أعلى القطع. الخطوط الملونة مسارات موجاته عبر الكوكب، متتبعة في النموذج نفسه، والنقاط جبهات الموجات تتحرك بالسرعة الصحيحة. تعادل ثانية الشاشة دقيقة حقيقية ما لم تغير ساعة الموجات.

للمقطع تحكمان آخران. إزالة الطبقات تفك الأرض من الخارج حتى اللب الداخلي العاري. والرسم يبدل المخطط تحت القراءات بين الكثافة وسرعة الموجات والضغط والحرارة والجاذبية، مع تحديد عمق المسبار.

يفتح الشريط أسفل العرض ثمانية مشاهد أخرى، يُنشأ كل منها عند اختياره أول مرة. الصفائح تعرض صفائح نموذج PB2002 لـPeter Bird وعددها 52 مع حركتها اليوم. الاندساس يقطع خندقًا. البقعة الساخنة تتبع الهادئ فوق هاواي. الحيد ينشر قاع البحر ويسجل المجال فيه. الحمل تصور لتقلب الوشاح. المجال يعرض ما يصنعه اللب السائل وتجول قطبه الشمالي منذ 1590. الثقوب العميقة تجمع أعمق الآبار وأعمق البحر على لوحة. مختبر الزلازل يرسل موجات زلزال حقيقي إلى ثلاثة مقاييس لتحدد موضعه. تحت التحكم ثماني مهام و73 حالة من فهرس الزلازل وتاريخ الجيولوجيا، ومعلومة يمكنك تبديلها.

كيف نعرف دون حفر

بلغ أعمق ثقب حُفر، بئر كولا فائقة العمق في روسيا، نحو 12 km. هذه قرابة 0.2 بالمئة من الطريق إلى المركز. كل ما دونه معروف بأدلة غير مباشرة، وأهمها دليلان.

الأول كتلة الأرض. بمعرفة شدة جذبها وحجمها يمكن حساب متوسط كثافتها: كتلة 5.972 × 10²⁴ kg مقسومة على حجم 4/3·π·(6,371 km)³ تعطي 5.51 g/cm³. صخور السطح لا تتجاوز 2.6 إلى 2.9 g/cm³، فلا بد من مادة أثقل كثيرًا تحتها. خمن Isaac Newton ذلك في ثمانينيات القرن السابع عشر، أي عقد 1680.

الثاني الزلازل. يرسل الزلزال الكبير موجات عبر الكوكب وتسجل آلاف المقاييس أزمنة وصولها. تتوقف الأزمنة على سرعة الموجات عند كل عمق، لذا تتيح كثرة القياسات استنتاج السرعة طبقة طبقة. لُوئم PREM مع نحو 1,000 دورة مقيسة لاهتزاز الأرض الحر، وهو رنين الكوكب البطيء بعد زلزال كبير، ونحو 500 زمن انتقال ملخص، ومع الكتلة وعزم القصور المعروفين. ثم اختبره المؤلفان على 1.75 مليون زمن وصول إضافي لموجات P وS من نشرات المركز الدولي لرصد الزلازل خلال 12 سنة.

القشرة وموهو

القشرة خط بهذا المقياس. يستخدم PREM سماكة متوسطة 24.4 km، مكونة من 3 km محيط و12 km قشرة عليا و9.4 km قشرة سفلى. القشرة الحقيقية أقل انتظامًا: نحو 7 km تحت المحيطات و30 إلى 70 km تحت القارات، وأثخنها تحت السلاسل الحديثة مثل الهيمالايا.

قاعدة القشرة حد حاد اسمه موهو، نسبة إلى عالم الزلازل الكرواتي Andrija Mohorovičić، الذي اكتشفه من سجلات زلزال 1909 في وادي Kupa (Kulpa) بكرواتيا. لاحظ أن المحطات البعيدة سجلت مجموعتين من P، وأن الثانية قطعت بعض طريقها في طبقة أسرع تحت القشرة. في PREM تقفز سرعة P من 6.8 km/s في القشرة السفلى إلى 8.11 km/s تحت موهو مباشرة، والكثافة من 2.90 إلى 3.38 g/cm³.

الوشاح: صخر صلب يتدفق

الوشاح 2,867 km من الصخر، صلب بما يكفي لنقل S، ولين بما يكفي ليزحف بضعة سنتيمترات سنويًا على مدى ملايين السنين. ذلك الزحف يحرك الصفائح فوقه.

تقسمه قفزتان في سرعة الموجات. يضعهما PREM عند 400 و670 km؛ تستخدم نماذج أخرى 410 و660، وكلها تصف الظاهرة نفسها. عند هذه الأعماق ينضغط الأوليفين، المكون الرئيسي للوشاح العلوي، إلى تراكيب بلورية أكثف. بينهما النطاق الانتقالي، وتحت 670 km الوشاح السفلي، أكبر طبقات الكوكب حجمًا.

يتراكم الضغط سريعًا. عند قاعدة القشرة 0.6 GPa، وعند 400 km يبلغ 13.4 GPa، وعند 670 km يبلغ 23.8 GPa. عند قاعدة الوشاح على عمق 2,891 km يصل إلى 135.8 GPa. بقسمته على ضغط الهواء عند سطح البحر، 101,325 Pa، نحصل على 135.8 × 10⁹ ÷ 101,325 ≈ 1.34 مليون ضعف.

اللب: سائل في الخارج وصلب في الداخل

عند 2,891 km ينتهي الصخر. تقفز الكثافة من 5.57 إلى 9.90 g/cm³، وتهبط سرعة P من 13.72 إلى 8.06 km/s، وسرعة S للصفر. مادة لا تنقل موجة قص لا تقاوم القص، أي إنها سائل. هذا اللب الخارجي، معظمه حديد ومعه نيكل وبضعة بالمئة من عناصر أخف. تقلبه البطيء يولد المجال المغناطيسي للأرض.

عند 5,150 km يعود الحديد صلبًا. اللب الداخلي أسخن من السائل حوله، لكن انصهار الحديد يحتاج حرارة أعلى كلما ارتفع الضغط، وعند 329 GPa يكون الحديد دون درجة انصهاره. مع تبرد الأرض البطيء، ينمو اللب الداخلي بتجمد الحديد من السائل.

الحرارة أقل أرقام الصفحة يقينًا. تتراوح التقديرات المنشورة لأعلى اللب الخارجي بين نحو 3,000 و4,500 K. عند حد اللب الداخلي تعطي حسابات Dario Alfè وزملائه 5,400 إلى 5,700 K، بينما وجدت تجارب Simone Anzellini وزملائه عام 2013 انصهار الحديد عند 6,230 ± 500 K. تستخدم القراءات قيمًا ضمن هذه المجالات وتعرضها مئوية؛ لذا فإن 3,900 °C عند حد اللب والوشاح تساوي 3,900 + 273 = 4,173 K، و5,500 °C عند حد اللب الداخلي تساوي 5,773 K. اعتبرها تقديرات مقربة، ولهذا تحمل ≈.

لماذا تنحني الموجات

تتصرف الموجات الزلزالية كالضوء في زجاج متغير السماكة. عند دخول صخر أسرع تنحني مبتعدة عن العمودي، وفي الوشاح تزداد السرعة مع العمق، فينحني كل شعاع ويعود إلى السطح.

في كرة ذات طبقات يخضع الانحناء لقاعدة واحدة. على طول كل شعاع تبقى الكمية

p = r · sin(i) / v

ثابتة، حيث r المسافة من المركز، وi الزاوية بين الشعاع والعمودي، وv سرعة الموجة. يرجع الشعاع حين تنخفض r / v إلى p. يتتبع العرض كل مسار هكذا: يختار p، وينزل عبر PREM بخطوات لا تتجاوز 2 km حتى ينعطف الشعاع، ثم يعكس المسار صعودًا. يُجمع زمن الرحلة على الطريق، فتصل النقاط في الوقت الصحيح.

مناطق الظل

تتبع أشعة P إلى الخارج فتجدها تصل إلى مسافات أبعد حتى يمس أعمقها أعلى اللب. في نموذجنا يصل ذلك الشعاع للسطح على بعد 99° بعد 13.7 دقيقة. الأشعة الأعمق قليلًا تدخل اللب، حيث تهبط السرعة من 13.72 إلى 8.06 km/s، فيحرفها التباطؤ المفاجئ بشدة. تخرج في الجانب البعيد عند 145° أو أكثر.

بين المجموعتين نطاق سطحي لا تصل إليه P مباشرة: منطقة ظل P. تضعها الكتب عادة بين 104° و140°. حوافها غير حادة في السجلات الحقيقية لأن موجات تزحف حول حافة اللب أيضًا، بينما يضع نموذجنا الشعاعي المبسط الحافتين عند 99° و145°.

لا تعبر S اللب السائل إطلاقًا. بعد نحو 104° تغيب تمامًا، وهذا ظل S؛ وأبعد شعاع S في النموذج يصل عند 104.3°. شغّل S لترى جميعها تتوقف عند اللب.

عام 1936 لاحظت عالمة الزلازل الدنماركية Inge Lehmann موجات P ضعيفة تصل داخل ظل P حيث يفترض ألا توجد. فسرتها بلب أصغر وأسرع داخل السائل. في النموذج تعبر الأشعة ذات أصغر p اللب الداخلي وتصل بين 128° و180°.

أرقام يمكنك التحقق منها

الكثافة والسرعات من صيغ PREM مباشرة. الضغط والجاذبية من الكثافة وحدها بخطوات 1 km. أولًا تُجمع الكتلة داخل كل نصف قطر قشرة كروية بعد أخرى، فتعطي g = G·M(r) / r². ثم يُجمع الضغط من السطح نزولًا بوزن كل قشرة، dP = ρ·g·dr. يؤكد الحساب اختباران: الكتلة الكلية 5.973 × 10²⁴ kg مقابل المقيسة 5.972 × 10²⁴ kg، والجاذبية السطحية 9.82 m/s².

الجاذبية لا تتصرف كما يتوقع كثيرون. لا تنقص باستمرار مع النزول. لكثافة اللب الكبيرة تزداد قليلًا في الوشاح وتبلغ 10.69 m/s² عند أعلى اللب، ثم تهبط إلى الصفر في المركز.

تحديد الزلزال بثلاث محطات

يسجل مقياس بعيد اهتزازين منفصلين قبل الموجات السطحية الكبيرة. الأول P والثاني S. انطلقتا معًا، لكن سرعة S في الوشاح نحو 55 % من P فقط، فيزداد الفارق مع المسافة. بقراءة فرق S−P تعرف بُعد الزلزال.

يحسب المختبر ذلك بنموذج PREM نفسه. يستخدم طريقة tau-p من كتب الزلازل: لكل معامل شعاع p يجمع τ(p)، أي تكامل √(η² − p²)/r من نقطة الانعطاف للسطح، حيث η = r/v. المسافة سالب ميل τ مع p، والزمن τ + p × المسافة. تتجنب الطريقة القمة الجذرية المزعجة عند الانعطاف، وتعطي جداول أول وصول لأي عمق مصدر. لزلزال قرب السطح:

قرب المصدر، كل ثانية S − P تعادل نحو 7.5 km في النموذج، أي 0.132 s لكل km خلال الدرجة الأولى. تقربها كتب كثيرة إلى 8 km. أبعد من ذلك تصل الموجات لصخر أعمق وأسرع وتنحني العلاقة، لذلك تُستخدم الجداول لا رقم واحد.

مسافة واحدة تضع الزلزال على دائرة حول المحطة. الثانية تعطي دائرة تقطع الأولى في نقطتين، والثالثة تختار إحداهما. محطات المختبر مقاييس حقيقية من الشبكة العالمية لرصد الزلازل، مختارة بين 15° و90° عن المصدر ومتوزعة في الاتجاه. شغّل دوائر S-P لترسم على الكرة من الفروق وحدها. المهمة الأولى تخفي مركز زلزال حقيقي السطحي وتطلب وضع الدبوس حيث تتلاقى الدوائر.

يغير العمق الصورة قليلًا. زلزال بعمق 600 km يرسل P إلى محطة تبعد 60° خلال 549 s بدل 607 s، لأنه يبدأ أقرب للوشاح السفلي السريع ويتجاوز القشرة البطيئة في النزول. الزلازل العميقة تولد موجات سطحية ضعيفة أيضًا لأنها محصورة قرب السطح والمصدر بعيد تحتها. قارن سجلات زلزال بحر أوخوتسك 2013 (598 km) بتوهوكو (29 km).

تسير الموجات السطحية هنا بسرعة واحدة 3.8 km/s. إنها قيمة نموذجية؛ الحقيقية تتشتت فتسير طويلة الدورة أسرع من القصيرة. عند 3.8 km/s تحتاج 2,634 s، نحو 44 دقيقة، لقطع 90°.

ما حجم زلزال مقداره 9؟

المقدار مقياس لوغاريتمي. كل درجة تعني نحو عشرة أضعاف حركة الأرض على مقياس بالمسافة نفسها، ونحو 32 ضعف الطاقة. العلاقة المستخدمة هنا قدمها Hiroo Kanamori عام 1977 من عمل Beno Gutenberg وCharles Richter:

log₁₀ E = 1.5 M + 4.8، وE بالجول.

إذًا يطلق مقدار 7 طاقة تساوي 10^(1.5 × 2) = 1,000 ضعف مقدار 5، ومقدار 9 يطلق 10^(1.5 × 3)، نحو 32,000 ضعف مقدار 6. زلزال توهوكو 2011، M 9.1، يعطي 2.8 × 10¹⁸ J. بقسمتها على طاقة طن TNT، وهي 4.184 × 10⁹ J، نحصل على نحو 674 ميغاطن. زلزال غيونغجو 2016 (ML 5.8 بمقياس إدارة الأرصاد الكورية) أقل طاقة بنحو 10^(1.5 × 3.3)، أي نحو 90,000 مرة.

لا يخبر المقدار مباشرة بشدة اهتزاز بلدة معينة. ذلك يعتمد على المسافة والعمق وصخور البلدة وتربتها وطريقة انكسار الصدع. زلزال بوليفيا 1994 كان 8.2 لكن بعمق 631 km وموجاته السطحية صغيرة.

الصفائح وسرعة حركتها

نحو 100 km الخارجية من الأرض، الغلاف الصخري، باردة بما يكفي لتتصرف كصفائح صلبة. يعرض المشهد صفائح نموذج Peter Bird لعام 2003، PB2002، وعددها 52 من ملفاته المنشورة. الحدود ملونة حسب الفعل: أحمر للتباعد عند الحيود والصدوع الانفتاحية، وأزرق للتقارب عند الخنادق والتصادم، وأخضر للانزلاق الجانبي على الصدوع التحويلية.

الأسهم من NNR-MORVEL56 الذي نشره Donald Argus وRichard Gordon وCharles DeMets عام 2011. يعطي كل صفيحة سرعة زاوية: قطبًا على الكرة ومعدل دوران حوله. سرعة النقطة حاصل الضرب الاتجاهي للسرعة الزاوية في موضعها، v = ω × r. الإطار «انعدام الدوران الصافي» يعني أن الصفائح مجتمعة لا تدور. من أمثلة الحساب:

• تدور الهادئ 0.651° كل مليون سنة حول قطب عند 63.58° S، 114.70° E. نقاط تبعد 90° عنه تتحرك 0.651 × 111.19 = 72 mm سنويًا، أسرع مواضع الصفائح الكبيرة.
• عند Kīlauea تتحرك الهادئ 69 mm سنويًا نحو الشمال الغربي (298°).
• عبر حيد وسط الأطلسي عند 40° N تتباعد أمريكا الشمالية وأوراسيا 22.9 mm سنويًا.
• عبر مرتفع شرق الهادئ عند 20° S تتباعد الهادئ ونازكا 143 mm سنويًا.
• تتحرك الهند بنحو 56 mm سنويًا في هذا الإطار.

متوسط الغلاف الصخري على السطح كله 43.9 mm سنويًا، وهو الجذر التربيعي لمتوسط مربعات السرعات في بحث NNR-MORVEL56. انقر نقطة لقراءة صفيحتها وسرعتها واتجاهها. أعلى الأرقام لصفائح صغيرة قرب تونغا تدور سريعًا حول أقطاب قريبة.

تُرجع ساعة الصفائح دوران اليوم أو تمده حتى 50 مليون سنة، وتحرك ثماني مدن معه. عند +50 مليون سنة تصبح نيويورك ولشبونة أبعد بنحو 1,100 km من مسافتهما اليوم 5,423 km، قريبًا من 22.9 mm سنويًا طوال 50 مليون سنة. سمي تصورًا عمدًا. الصفائح الحقيقية تغير السرعة والاتجاه وتنشئ حدودًا جديدة؛ إعادة البناء تحتاج شرائط مغناطيسية ومسارات بقع ساخنة لكل فترة، لا دوران اليوم الثابت.

حيث تهبط الصفائح

عند الخندق تنحني صفيحة وتنزلق تحت أخرى. يقطع مشهد الاندساس اثنين: خندق اليابان حيث تهبط الهادئ تحت شمال شرق اليابان، أي صفيحة أوخوتسك في NNR-MORVEL56، وخندق بيرو-تشيلي عند 36° S حيث تهبط نازكا تحت أمريكا الجنوبية. السرعات من النموذج نفسه: نحو 86 mm سنويًا مباشرة عبر اليابان، وحركة نسبية 74 mm سنويًا بين نازكا وأمريكا الجنوبية قرب كونسيبسيون.

يبقى اللوح الهابط أبرد من الوشاح حوله ملايين السنين، فينكسر مسببًا زلازل أعمق من أي مكان آخر. أعمق الزلازل الكبيرة في فهرس USGS داخل ألواح: 598 km تحت أوخوتسك عام 2013 (M 8.3)، و631 km تحت بوليفيا عام 1994 (M 8.2). يرسمها المشهد نقاطًا داخل اللوح حتى نحو 680 km.

لماذا تصطف البراكين موازية للخندق؟ يُطرد الماء المرتبط بمعادن اللوح مع نزوله، فيخفض انصهار الوشاح الساخن فوقه. قاس Emily Syracuse وGeoffrey Abers أعماق الألواح تحت 839 بركان قوس عام 2006. تحت الجبهة البركانية يبلغ متوسط عمق أعلى اللوح 105 km ووسيطه 100 km؛ نصف القيم بين 85 و119 km، ومتوسطات مقاطع الأقواس بطول 500 km تمتد من 72 km وسط ألوشيان إلى 173 km شمال فانواتو. يضع المشهد بركانه عند عمق 105 km. غيّر الميل العميق فيتحرك القوس: عند 30° يبعد 236 km عن الخندق، قرب منتصف نطاق 180 إلى 275 km الذي يشمل نصف أقواس العالم.

هاواي والبقعة الساخنة

عام 1963 اقترح J. Tuzo Wilson تكون جزر هاواي تباعًا فوق مصدر صهارة ثابت عميق تحت صفيحة الهادئ المتحركة. تؤيده الأعمار: أقدم صخور Kaua'i نحو 5.0 إلى 5.5 مليون سنة، وانتهى نمو West Maui الرئيسي منذ نحو 1.3 مليون سنة، وما زال Kīlauea يثور. Midway، على بعد 2,444 km من Kīlauea، فوق براكين عمرها نحو 28 مليون سنة.

يرجع مشهد البقعة الصفيحة بتلك الأعمار. يثبت العمود ويحرك الصفيحة ليقع بركان العمر المختار فوقه، ويملأ الفواصل بين البراكين المؤرخة على السلسلة. تعطي المسافات والأعمار معدلات متوسطة:

كيلومتر لكل مليون سنة يساوي مليمترًا في السنة، فهذه 87 إلى 163 mm سنويًا، أسرع من 69 mm التي يعطيها NNR-MORVEL56 عند Kīlauea اليوم. يفسر معظم الفارق سببان: الأعمار لنهاية النمو الرئيسي، وليست لحظة حادة، والبقعة نفسها قد تنجرف، فإطار البقعة ليس إطار انعدام الدوران الصافي.

أبعد إلى الشمال الغربي تنعطف السلسلة عند جبل Daikakuji البحري، الذي أرخه John O'Connor وزملاؤه عام 2013 بـ47.5 مليون سنة، ثم تتجه شمالًا كجبال الإمبراطور البحرية. تغير اتجاه الهادئ آنذاك. جبل Detroit قرب الطرف الشمالي عمره 76 إلى 82 مليون سنة.

البركان التالي ينمو بالفعل. Kama'ehuakanaloa، واسمه Lō'ihi حتى 2021، يقع على عمق 975 m جنوب شرق الجزيرة الكبرى. تقدر USGS أن نموه 5 m لكل 1,000 سنة قد يتطلب حتى 200,000 سنة للوصول للسطح. تطلب المهمة الثالثة توجيه السهم إلى جهته.

شرائط قاع البحر

تصطف معادن الحديد في الصخر الساخن مع المجال حولها، وتثبت تلك الوجهة عند التبرد. عام 1906 وجد Bernard Brunhes حممًا في فرنسا ممغنطة بعكس مجال اليوم. وعام 1929 وجد Motonori Matuyama حمم اليابان وكوريا الحديثة باتجاه والأقدم بعكسه. كان المجال قد انقلب.

تتكون قشرة جديدة باستمرار عند حيد وسط المحيط وتتحرك للجانبين. يصبح القاع مسجلًا: شرائط ممغنطة باتجاه ثم بعكسه، متناظرة على جانبي الحيد. اكتشفتها سفن تجر مقاييس مغناطيسية في خمسينيات القرن العشرين، أي عقد 1950، وفسرها Fred Vine وDrummond Matthews عام 1963 بالانتشار والانقلابات.

يرسم المشهد الشرائط من مقياس القطبية الزمني لـSteven Cande وDennis Kent (1995). بدأ عصر Brunhes العادي الحالي منذ 0.78 مليون سنة؛ وامتدت فترة Jaramillo العادية من 0.99 إلى 1.07 مليون سنة، وOlduvai من 1.77 إلى 1.95. خلال آخر 5 ملايين سنة انقلب المجال 20 مرة. عرض الشريط مدته مضروبة في نصف معدل الانتشار. عند 50 mm سنويًا، أي 25 km لكل مليون سنة في كل جانب، يمتد Brunhes إلى 19.5 km من المحور؛ وعند مرتفع شرق الهادئ بنحو 143 mm يمتد نحو 56 km. المهمة السادسة تسأل عن المعدل الذي يضع الحافة عند 60 km.

يعمق القاع مع العمر لتبرد الصفيحة وانكماشها. لائم Barry Parsons وJohn Sclater عام 1977 المعادلة العمق = 2,500 + 350 √t مترًا، وt بملايين السنين، لشمال الهادئ وشمال الأطلسي. يستخدم المشهد المنحنى مضخمًا في العمق 15 مرة ليتضح.

تقلب الوشاح

الوشاح صلب لكنه يتدفق على مدى ملايين السنين. تهبط ألواح باردة عند الخنادق، ويمكن تتبع بعضها بالتصوير الزلزالي حتى اللب. تصعد مادة ساخنة في أعمدة، وتوجد منطقتان هائلتان بطيئتا موجات القص فوق اللب تحت إفريقيا والهادئ. راجع Edward Garnero وAllen McNamara معرفتنا بهما عام 2008.

الحمل مجرد تصور. تتبع النقاط تدفقًا سلسًا في ثلاث خلايا لترى الصخر يصعد هنا ويهبط هناك. الحقيقي ثلاثي الأبعاد ويعتمد على الحرارة والتركيب والصفائح. الرقم المفيد زمنه: عند سرعة صفيحة نموذجية 5 cm سنويًا، يحتاج عبور وشاح 2,867 km إلى نحو 57 مليون سنة.

المجال المغناطيسي من اللب

يحمل الحديد السائل الجاري في اللب الخارجي تيارات كهربائية تولد المجال. من الخارج يشبه مجال مغناطيس قضيب. يصفه المجال الجيومغناطيسي المرجعي الدولي IGRF بمعاملات تحدثها الرابطة الدولية للمغناطيسية الأرضية وفيزياء الغلاف الجوي العلوي كل خمس سنوات. يرسم المشهد الجزء ثنائي القطب من IGRF-14، المعاملات الثلاثة الأولى g₁⁰ وg₁¹ وh₁¹. لعام 2025 هي −29,350.0 و−1,410.3 و4,545.5 nT. منها:

• يميل محور ثنائي القطب 9.2° عن محور الدوران، والقطب الجيومغناطيسي الشمالي عند 80.8° N، 72.8° W؛
• المجال عند الاستواء √(g₁⁰² + g₁¹² + h₁¹²) = 29.7 µT، وضعفه عند القطبين؛
• عام 1900 كان 32.2 µT، لذا هو أضعف اليوم بـ7.6 %.

انقر نقطة ليحسب المشهد مجالها B = B₀ √(1 + 3 cos² θ)، حيث θ الزاوية من محور ثنائي القطب، وميل إبرة البوصلة tan I = 2 cot θ. يختلف المجال الحقيقي موضعيًا بسبب الحدود الأعلى رتبة التي حذفها المشهد.

الخط الأحمر مسار القطب المغناطيسي الشمالي، حيث تشير الإبرة إلى أسفل مباشرة، من مراكز NOAA الوطنية للمعلومات البيئية. بين 1590 و1900 يأتي من نموذج gufm1 المبني على سجلات السفن، ثم من IGRF. خلال 435 سنة تجول نحو 4,500 km وانتهى بعيدًا عن بدايته بـ2,000 km. عام 1700 تحرك نحو 6 km سنويًا في كندا القطبية؛ وبين 2000 و2011 نحو سيبيريا بـ55 إلى 58 km سنويًا؛ وعام 2024 قطع 37 km.

منزلق الزمن مشترك مع الحيد. أرجعه أكثر من 0.78 مليون سنة فتنقلب الخطوط: المخاريط الصفراء اتجاه المجال، الذي كان معاكسًا خلال Matuyama المعكوس.

إلى أي عمق حفرنا؟

يجمع مشهد الثقوب أعمق مواضع بلغها البشر على لوحة بثلاثة مقاييس:

• بلغت بئر كولا شمال غرب روسيا 12,262 m عام 1989 وما زالت الأعمق. صخر القاع بحرارة 212 °C وكان يتدفق إلى الثقب.
• بلغت KTB الألمانية 9,101 m عام 1994 عند 265 إلى 270 °C.
• عام 2024 أنزلت سفينة Chikyu أنبوب حفر بطول 7,906 m من سطح البحر عند خندق اليابان، أعمق حفر محيطي علمي.
• تشالنجر ديب في خندق ماريانا أعمق قاع بحر، 10,935 m (± 6 m) تحت سطحه، من ضغط غوصات مركبات عام 2020.
• متوسط عمق المحيط 3,682 m.
• قمة Mauna Kea أعلى سطح البحر بـ4,205 m.

اضبط المثقاب الأصفر على 12 km فتقرأ اللوحة 0.19 % من نصف القطر. بدّل المقياس للمركز فتقع كل الثقوب داخل الخط العلوي. ضغط PREM هناك نحو 0.27 GPa مقابل 364 GPa في المركز.

ما الذي تحذفه النماذج

PREM أحادي البعد: متماثل في كل نقطة على كرة بنصف قطر معين. الأرض الحقيقية فيها قارات ومحيطات وألواح قاع باردة هابطة وأعمدة ساخنة، فتختلف السرعات ببضعة بالمئة مكانيًا. يتضمن PREM اعتمادًا اتجاهيًا طفيفًا في الوشاح العلوي؛ نستخدم النسخة المتوسطة غير الاتجاهية. تتجاهل أشعة المقطع الموجات المنعكسة عن الحدود أو السائرة عليها، والزلزال تحت طبقة المحيط مباشرة كي لا يشوه الماء البطيء فوقه الصورة.

تبسط المشاهد الأخرى بطريقتها، وتوضح اللوحة ذلك حيث يهم:

• جداول المختبر من أشعة PREM. تحت موهو مباشرة تنخفض السرعة قليلًا مع العمق، فتترك أشعة المصدر الضحل فجوة بضع درجات حيث تسجل الحقيقة موجة منكسرة حرجة تسير على موهو. يصل المختبر فجوات حتى 10° بخط مستقيم في الزمن؛ ظل اللب الأعرض يبقى فارغًا. الموجات السطحية بسرعة نموذجية واحدة.
• ساعة الصفائح تثبت دوران اليوم. تعرض سرعة الحركة، لا مواقع القارات الحقيقية سابقًا.
• مقطع الاندساس يصل ميلًا ضحلًا وعميقًا بمنحنى سلس ويجعل اللوح بسماكة 90 km. عمق الخندق وشكل الصفيحة العليا وفجوة الزلازل العميقة في تشيلي رسومات تفسيرية، لا قياسات.
• إرجاع هاواي يثبت البقعة ويحرك الصفيحة فقط عبر البراكين المؤرخة.
• الشرائط كتل منتظمة؛ الشذوذ الحقيقي تطمسه طريقة تبرد القشرة وعرض منطقة تكون القشرة الجديدة.
• الحمل صورة لفكرة، بلا مقياس زمني.
• خطوط المجال ثنائي قطب IGRF فقط.

تاريخ موجز

عام 1798 قاس Henry Cavendish تجاذب كرات الرصاص بميزان التواء، فوجد كثافة الأرض 5.48 ضعف الماء، أكبر كثيرًا من صخور السطح. عام 1906 أظهر الجيولوجي الأيرلندي Richard Dixon Oldham تأخر P الواصلة للجانب البعيد، واستدل على لب مركزي. في العام نفسه أبلغ Bernard Brunhes عن حمم ممغنطة بالعكس. عام 1909 وجد Andrija Mohorovičić قاعدة القشرة. عام 1912 قال Alfred Wegener إن القارات انجرفت متباعدة. ثم وضع Beno Gutenberg أعلى اللب عند نحو 2,900 km، قريبًا من 2,891 km الحديثة. عام 1926 أظهر Harold Jeffreys من المد والجزر وS أن اللب سائل، وعام 1929 أرخ Motonori Matuyama انقلابًا. تبع ذلك لب Lehmann الداخلي عام 1936.

اجتمعت القطع في ستينيات القرن العشرين، أي عقد 1960. اقترح Harry Hess انتشار قاع البحر عام 1962، وقرأ Vine وMatthews الشرائط عام 1963، وفسر Wilson هاواي بالبقعة في العام نفسه. عام 1981 جمع Dziewonski وAnderson عقود البيانات الزلزالية والاهتزاز الحر المسجل بعد زلازل الستينيات الكبيرة في PREM. تلت ذلك حدود Bird عام 2003 وNNR-MORVEL56 عام 2011.