Lapisan bumi: model interaktif kedalaman dan massa jenis

Apa yang Anda lihat

Lapisan bumi terdiri dari kerak, mantel, dan inti, dan model di atas memperlihatkannya sebagai Bumi yang diiris sebuah baji, digambar dengan skala. Jari-jari 6371 km dikecilkan menjadi setengah meter di layar, dan lapisan pada kedua bidang irisan berada di kedalaman menurut PREM, Preliminary Reference Earth Model yang diterbitkan Adam Dziewonski dan Don Anderson pada 1981. PREM masih menjadi acuan standar bagi para seismolog untuk membandingkan hasil pengukuran mereka, dan ia memberi massa jenis serta kecepatan gelombang di setiap kedalaman lewat rumus-rumus sederhana.

Geser penggeser kedalaman di tab Kontrol dan sebuah cincin putih bergerak dari permukaan ke pusat. Panel di pojok kiri atas lalu menampilkan apa kata PREM tentang kedalaman itu: massa jenis, kecepatan kedua jenis gelombang gempa, serta tekanan dan gravitasi yang kami hitung dari massa jenis. Baris suhu berbeda. Suhu bukan bagian PREM, jadi yang tampil adalah perkiraan dibulatkan dalam derajat Celsius dari penelitian yang telah terbit, dan bagian tentang inti menjelaskan betapa tidak pastinya angka itu.

Tekan putar dan sebuah gempa terjadi di puncak irisan. Garis berwarna adalah lintasan gelombangnya menembus planet, dilacak melalui model yang sama, dan titik-titik adalah muka gelombang yang bergerak dengan kecepatan sebenarnya. Satu detik di layar mewakili satu menit waktu nyata kecuali Anda mengubah jam gelombang.

Dua kontrol lain melengkapi irisan ini. Kupas lapisan membongkar Bumi dari luar sampai tinggal inti dalam. Grafik mengganti bagan di bawah pembacaan antara massa jenis, kecepatan gelombang, tekanan, suhu, dan gravitasi, dengan kedalaman probe ditandai.

Bilah di sepanjang bawah panggung membuka delapan adegan lain, masing-masing dibuat saat pertama kali Anda memilihnya. Lempeng menampilkan 52 lempeng model PB2002 Peter Bird beserta geraknya hari ini. Subduksi mengiris sebuah palung. Titik panas mengikuti lempeng Pasifik di atas Hawaii. Punggungan memekarkan dasar laut dan merekam medan magnet di dalamnya. Konveksi adalah gambar konsep mantel yang berputar. Medan magnet menunjukkan medan yang dibuat inti cair dan bagaimana kutub utaranya mengembara sejak 1590. Lubang dalam menaruh lubang bor terdalam dan laut terdalam dalam satu papan. Lab gempa mengirim gelombang dari gempa nyata ke tiga seismometer dan memungkinkan Anda menentukan lokasinya. Di bawah kontrol ada delapan tugas, 73 kasus dari katalog gempa dan sejarah geologi, dan satu fakta yang bisa Anda ganti dengan yang lain.

Bagaimana kita tahu tanpa menggali

Lubang terdalam yang pernah dibor, Lubang Superdalam Kola di Rusia, mencapai sekitar 12 kilometer. Itu sekitar 0,2 persen jarak ke pusat. Semua yang ada di bawahnya berasal dari bukti tidak langsung, dan dua di antaranya paling banyak berperan.

Yang pertama adalah massa Bumi. Begitu Anda tahu seberapa kuat planet menarik benda dan seberapa besar ukurannya, Anda bisa menghitung massa jenis rata-ratanya: massa 5,972 × 10²⁴ kg dibagi volume 4/3·π·(6371 km)³ menghasilkan 5,51 g/cm³. Batuan permukaan hanya 2,6 sampai 2,9 g/cm³, jadi pasti ada sesuatu yang jauh lebih berat tersembunyi di bawahnya. Isaac Newton sudah menduga hal ini pada 1680-an.

Yang kedua adalah gempa. Gempa besar mengirim gelombang menembus seluruh planet, dan ribuan seismometer mencatat kapan gelombang itu tiba. Waktu tibanya bergantung pada kecepatan gelombang di tiap kedalaman, sehingga dengan cukup banyak data para seismolog bisa menghitung kecepatan itu lapisan demi lapisan. PREM disusun dari sekitar 1000 periode osilasi bebas Bumi yang terukur (dentang pelan seluruh planet setelah gempa besar), sekitar 500 waktu tempuh ringkasan, serta massa dan momen inersia yang diketahui. Para penyusunnya lalu mengujinya terhadap 1,75 juta waktu tiba P dan S lainnya dari 12 tahun buletin International Seismological Centre.

Kerak dan Moho

Pada skala ini kerak hanyalah satu garis. PREM memakai ketebalan rata-rata 24,4 km, terdiri dari 3 km samudra, 12 km kerak atas, dan 9,4 km kerak bawah. Kerak sungguhan jauh lebih tidak rapi: sekitar 7 km di bawah samudra dan 30 sampai 70 km di bawah benua, paling tebal di bawah pegunungan muda seperti Himalaya.

Dasar kerak adalah batas tajam yang disebut Moho, dinamai menurut seismolog Kroasia Andrija Mohorovičić, yang menemukannya saat mempelajari rekaman gempa 1909 di Lembah Kupa (Kulpa) di Kroasia. Ia memperhatikan bahwa stasiun yang jauh dari gempa mencatat dua rangkaian gelombang P, dan rangkaian kedua sebagian menempuh lapisan yang lebih cepat di bawahnya. Dalam PREM kecepatan gelombang P melonjak dari 6,8 km/s di kerak bawah menjadi 8,11 km/s tepat di bawah Moho, dan massa jenis dari 2,90 menjadi 3,38 g/cm³.

Mantel: batuan padat yang mengalir

Mantel adalah batuan setebal 2867 km yang cukup padat untuk membawa gelombang S, tetapi cukup lunak untuk merayap beberapa sentimeter per tahun selama jutaan tahun. Rayapan itulah yang menggerakkan lempeng tektonik di atasnya.

Dua lonjakan kecepatan gelombang membaginya. PREM menempatkannya pada 400 km dan 670 km; model lain memakai 410 dan 660, dan keduanya menggambarkan hal yang sama. Pada kedalaman ini mineral olivin, bahan utama mantel atas, terhimpit menjadi struktur kristal yang lebih padat. Di antara keduanya terdapat zona transisi. Di bawah 670 km adalah mantel bawah, lapisan terbesar planet menurut volume.

Tekanan naik dengan cepat. Di dasar kerak 0,6 GPa, pada 400 km 13,4 GPa, dan pada 670 km 23,8 GPa. Di dasar mantel, 2891 km ke bawah, tekanannya mencapai 135,8 GPa. Dibagi tekanan udara di permukaan laut (101.325 Pa), itu 135,8 × 10⁹ ÷ 101.325 ≈ 1,34 juta kali.

Inti: cair di luar, padat di dalam

Pada 2891 km batuan berhenti. Massa jenis melonjak dari 5,57 ke 9,90 g/cm³, kecepatan gelombang P turun dari 13,72 ke 8,06 km/s, dan kecepatan gelombang S jatuh ke nol. Bahan yang tidak bisa membawa gelombang geser tidak bisa menahan geseran, dan itu cara lain mengatakan bahwa ia cair. Inilah inti luar, sebagian besar besi dengan sedikit nikel dan beberapa persen unsur yang lebih ringan. Gejolaknya yang pelan membangkitkan medan magnet Bumi.

Pada 5150 km besi menjadi padat lagi. Inti dalam lebih panas daripada cairan di sekelilingnya, tetapi titik leleh besi naik seiring tekanan, dan pada 329 GPa besi di sana berada di bawah titik lelehnya. Seiring Bumi perlahan mendingin, inti dalam tumbuh dengan membekukan besi dari cairan.

Suhu adalah angka paling tidak pasti di halaman ini. Perkiraan yang telah terbit untuk puncak inti luar berkisar dari sekitar 3000 sampai 4500 K. Untuk batas inti dalam, perhitungan Dario Alfè dan rekan memberi 5400 sampai 5700 K, sedangkan percobaan laboratorium Simone Anzellini dan rekan pada 2013 mendapati besi meleleh di sana pada 6230 ± 500 K. Pembacaan memakai nilai di dalam rentang itu dan menampilkannya dalam derajat Celsius, jadi 3900 °C di batas inti-mantel adalah 3900 + 273 = 4173 K, dan 5500 °C di batas inti dalam adalah 5773 K. Anggap saja tebakan yang dibulatkan, itulah sebabnya angka-angka itu memakai tanda ≈.

Mengapa gelombang membelok

Gelombang gempa berperilaku seperti cahaya yang melewati kaca dengan ketebalan berubah. Ketika gelombang memasuki batuan yang lebih cepat, ia membelok menjauhi garis vertikal, dan di mantel kecepatan terus naik seiring kedalaman, sehingga setiap sinar melengkung dan kembali ke permukaan.

Dalam bola berlapis, pembelokan mengikuti satu aturan. Sepanjang tiap sinar, besaran

p = r · sin(i) / v

tetap sama, dengan r jarak dari pusat, i sudut antara sinar dan garis vertikal, dan v kecepatan gelombang. Sinar berbalik di tempat r / v turun menjadi p. Pameran ini memakai aturan itu untuk melacak setiap lintasan yang Anda lihat: ia memilih nilai p, melangkah turun melalui PREM dengan langkah paling besar 2 km sampai sinar berbalik, lalu mencerminkan lintasan itu ke atas. Waktu tempuh dijumlahkan sepanjang jalan, itulah sebabnya titik-titik tiba pada saat yang tepat.

Zona bayangan

Ikuti sinar P ke luar dari gempa dan mereka mendarat makin jauh, sampai sinar terdalam menyentuh puncak inti. Dalam model kami sinar itu mencapai permukaan 99° dari gempa setelah 13,7 menit. Sinar yang menyelam sedikit lebih dalam masuk ke inti, tempat kecepatan turun dari 13,72 ke 8,06 km/s, dan perlambatan mendadak itu membelokkannya tajam. Mereka keluar di sisi jauh Bumi, pada 145° atau lebih.

Di antara kedua kelompok itu ada pita permukaan tempat gelombang P langsung tidak ada: zona bayangan gelombang P. Buku teks biasanya menyebutnya 104° sampai 140°. Tepinya agak kabur pada rekaman nyata karena gelombang juga merayap mengitari tepi inti, dan model sinar sederhana kami menempatkan tepinya pada 99° dan 145°.

Gelombang S sama sekali tidak punya jalan lewat inti cair. Di luar sekitar 104° mereka hilang sepenuhnya, itulah zona bayangan gelombang S; dalam model, sinar S yang merambat paling jauh mendarat pada 104,3°. Nyalakan gelombang S di pameran dan Anda bisa melihat semuanya berhenti di inti.

Pada 1936 seismolog Denmark Inge Lehmann memperhatikan gelombang P lemah yang tiba di dalam zona bayangan P padahal seharusnya tidak ada. Ia menjelaskannya dengan inti yang lebih kecil dan lebih cepat di dalam inti cair. Dalam model, sinar dengan nilai p terkecil melewati inti dalam dan mendarat antara 128° dan 180°.

Angka yang bisa Anda periksa

Massa jenis dan kecepatan gelombang langsung berasal dari rumus PREM. Tekanan dan gravitasi dihitung dari massa jenis saja, dengan langkah 1 km. Pertama massa di dalam tiap jari-jari dijumlahkan kulit demi kulit, yang memberi gravitasi g = G·M(r) / r². Lalu tekanan dijumlahkan dari permukaan ke bawah memakai berat tiap kulit, dP = ρ·g·dr. Dua pemeriksaan menunjukkan hitungannya benar: massa total keluar 5,973 × 10²⁴ kg dibanding 5,972 × 10²⁴ kg yang terukur, dan gravitasi di permukaan 9,82 m/s².

Gravitasi berperilaku dengan cara yang tak diduga banyak orang. Ia tidak turun terus ketika Anda masuk ke bawah. Karena inti sangat padat, gravitasi justru sedikit naik di mantel dan mencapai puncak 10,69 m/s² di puncak inti sebelum turun ke nol di pusat.

Menemukan gempa dari tiga stasiun

Seismometer yang jauh dari gempa mencatat dua sentakan terpisah sebelum gelombang permukaan yang besar dan bergulung tiba. Yang pertama gelombang P, yang kedua gelombang S. Keduanya meninggalkan sumber pada saat yang sama, tetapi gelombang S merambat hanya sekitar 55 % dari kecepatan P di mantel, sehingga jarak waktu di antaranya membesar seiring jarak. Baca selisih itu, waktu S−P, dan Anda tahu seberapa jauh gempanya.

Lab gempa menghitungnya dari model PREM yang sama dengan irisan tadi. Ia memakai metode tau-p dari buku teks seismologi: untuk tiap parameter sinar p ia menjumlahkan τ(p), integral √(η² − p²)/r dari titik balik ke permukaan, dengan η = r/v. Jarak yang ditempuh sinar adalah minus kemiringan τ terhadap p, dan waktunya τ + p × jarak. Cara ini menghindari lonjakan akar kuadrat yang canggung di titik balik, dan menghasilkan tabel tiba pertama untuk kedalaman sumber apa pun. Untuk gempa di dekat permukaan, tabelnya:

Dekat sumber aturannya sederhana: tiap detik S − P setara sekitar 7,5 km jarak dalam model ini (0,132 s per km pada derajat pertama). Banyak buku teks membulatkannya menjadi 8 km. Lebih jauh, gelombang mencapai batuan yang lebih dalam dan lebih cepat dan hubungannya melengkung, itulah sebabnya seismolog memakai tabel, bukan satu angka.

Satu jarak hanya memberi tahu bahwa gempa berada di suatu tempat pada lingkaran di sekitar stasiun. Stasiun kedua memberi lingkaran kedua, yang memotong yang pertama di dua titik. Lingkaran ketiga memilih salah satunya. Di lab, ketiga stasiun adalah seismometer sungguhan dari Global Seismographic Network, dipilih agar berada 15° sampai 90° dari gempa dan tersebar di berbagai arah di sekelilingnya. Nyalakan lingkaran S-P dan lingkaran itu digambar di globe hanya dari waktu S−P. Tugas pertama menyembunyikan episentrum gempa nyata dan meminta Anda menaruh pin di tempat lingkaran bertemu.

Kedalaman sedikit mengubah gambarnya. Gempa sedalam 600 km mengirim gelombang P-nya ke stasiun sejauh 60° dalam 549 s, bukan 607 s, karena gelombang mulai lebih dekat ke mantel bawah yang cepat dan melewati kerak yang lambat dalam perjalanan turun. Gempa dalam juga membuat gelombang permukaan yang lemah, sebab gelombang permukaan terperangkap di dekat bagian atas Bumi dan sumbernya jauh di bawahnya. Bandingkan seismogram gempa Laut Okhotsk 2013 (598 km) dengan Tōhoku (29 km).

Gelombang permukaan di lab merambat dengan satu kecepatan, 3,8 km/s. Itu nilai model: gelombang permukaan sungguhan menyebar, dengan periode panjang merambat lebih cepat daripada yang pendek. Pada 3,8 km/s mereka butuh 2634 s, sekitar 44 menit, untuk menempuh 90°.

Sebesar apa magnitudo 9?

Magnitudo adalah skala logaritmik. Naik satu langkah berarti sekitar sepuluh kali gerakan tanah pada seismometer di jarak yang sama dan sekitar 32 kali energi yang dilepaskan. Hubungan energi yang dipakai di sini adalah yang diberikan Hiroo Kanamori pada 1977 dari karya Beno Gutenberg dan Charles Richter:

log₁₀ E = 1,5 M + 4,8, dengan E dalam joule.

Jadi magnitudo 7 melepaskan 10^(1,5 × 2) = 1000 kali energi magnitudo 5, dan magnitudo 9 melepaskan 10^(1,5 × 3), sekitar 32.000 kali energi magnitudo 6. Gempa Tōhoku 2011, M 9,1, bernilai 2,8 × 10¹⁸ J. Dibagi energi satu ton TNT, 4,184 × 10⁹ J, itu sekitar 674 megaton. Gempa Gyeongju 2016 (ML 5,8 pada skala Badan Meteorologi Korea) melepaskan energi sekitar 10^(1,5 × 3,3), yaitu sekitar 90.000 kali, lebih kecil.

Magnitudo tidak langsung menyatakan seberapa keras tanah bergetar di suatu kota. Hal itu bergantung pada jarak, kedalaman, batuan dan tanah di bawah kota, serta cara sesar pecah. Gempa Bolivia 1994 bermagnitudo 8,2 tetapi sedalam 631 km, dan gelombang permukaannya kecil.

Lempeng dan seberapa cepat geraknya

Sekitar 100 km terluar Bumi, litosfer, cukup dingin untuk berperilaku sebagai kumpulan lempeng kaku. Adegan Lempeng menampilkan 52 lempeng model Peter Bird 2003, PB2002, digambar dari berkas yang ia terbitkan. Batasnya diwarnai menurut perilakunya: merah di tempat lempeng saling menjauh pada punggungan pemekaran dan rekahan, biru di tempat lempeng bertemu pada palung dan zona tumbukan, hijau di tempat lempeng saling bergeser di sepanjang sesar transform.

Panahnya berasal dari NNR-MORVEL56, diterbitkan pada 2011 oleh Donald Argus, Richard Gordon, dan Charles DeMets. Model ini memberi tiap lempeng kecepatan sudut: sebuah kutub di globe dan laju putaran mengelilinginya. Kecepatan sebuah titik adalah hasil kali silang kecepatan sudut itu dengan posisi titik, v = ω × r. Kerangkanya adalah "tanpa rotasi netto", artinya lempeng secara keseluruhan tidak berputar. Beberapa contoh yang dihitung dengan angka model:

• Lempeng Pasifik berputar 0,651° per juta tahun mengelilingi kutub di 63,58° S, 114,70° T. Titik yang berjarak 90° dari kutub bergerak 0,651 × 111,19 = 72 mm per tahun, yang tercepat di mana pun pada lempeng besar.
• Di Kīlauea lempeng Pasifik bergerak 69 mm per tahun ke barat laut (298°).
• Melintasi Punggungan Tengah Atlantik pada 40° U, Amerika Utara dan Eurasia berpisah 22,9 mm per tahun.
• Melintasi Pematang Pasifik Timur pada 20° S, lempeng Pasifik dan Nazca berpisah 143 mm per tahun.
• Lempeng India bergerak sekitar 56 mm per tahun dalam kerangka ini.

Dirata-ratakan di seluruh permukaan, litosfer bergerak 43,9 mm per tahun (angka akar rata-rata kuadrat dalam makalah NNR-MORVEL56). Klik titik mana pun di globe untuk membaca lempeng, kecepatan, dan arahnya. Angka tercepat milik lempeng-lempeng kecil di dekat Tonga, yang berputar cepat mengelilingi kutub di dekatnya.

Jam lempeng di adegan itu menjalankan rotasi masa kini mundur dan maju sampai 50 juta tahun dan menggerakkan delapan kota bersama lempengnya. Pada +50 juta tahun New York dan Lisboa berjarak sekitar 1100 km lebih jauh daripada 5423 km hari ini, mendekati 22,9 mm per tahun selama 50 juta tahun. Ini sengaja diberi label konsep. Lempeng sungguhan mengubah kecepatan dan arah, dan batas baru terbentuk, jadi rekonstruksi yang benar membutuhkan garis magnet dan jejak titik panas untuk setiap periode, bukan rotasi hari ini yang dibekukan.

Tempat lempeng menunjam

Di palung, satu lempeng menekuk ke bawah dan meluncur di bawah lempeng lain. Adegan Subduksi adalah penampang melintasi dua palung: Palung Jepang, tempat lempeng Pasifik masuk ke bawah timur laut Jepang (lempeng Okhotsk dalam NNR-MORVEL56), dan Palung Peru-Chili pada 36° S, tempat lempeng Nazca masuk ke bawah Amerika Selatan. Kecepatan konvergensi berasal dari model lempeng yang sama: sekitar 86 mm per tahun tegak lurus melintasi Palung Jepang, dan gerak relatif 74 mm per tahun antara Nazca dan Amerika Selatan di dekat Concepción.

Lempeng yang menunjam tetap lebih dingin daripada mantel di sekelilingnya selama jutaan tahun, sehingga bisa patah dalam gempa jauh lebih dalam daripada di tempat lain. Dalam katalog USGS gempa besar terdalam berada di lempeng-lempeng seperti ini: 598 km di bawah Laut Okhotsk pada 2013 (M 8,3) dan 631 km di bawah Bolivia pada 1994 (M 8,2). Gambar menandai gempa dalam ini sebagai titik di dalam lempeng sampai sekitar 680 km.

Mengapa gunung api berbaris sejajar palung? Air yang terikat dalam mineral lempeng terperas keluar ketika lempeng makin dalam, dan air menurunkan titik leleh mantel panas di atasnya. Emily Syracuse dan Geoffrey Abers mengukur kedalaman lempeng di bawah 839 gunung api busur pada 2006. Di bawah barisan depan gunung api, puncak lempeng rata-rata sedalam 105 km, dengan median 100 km; separuh dari semua nilai terletak antara 85 dan 119 km, dan rata-rata untuk setiap bentang busur sepanjang 500 km berkisar dari 72 km di Aleut tengah sampai 173 km di Vanuatu utara. Adegan ini menaruh gunung apinya di tempat puncak lempeng mencapai 105 km. Ubah sudut dalam dan busur bergeser: pada 30° ia berada 236 km dari palung, dekat tengah rentang 180 sampai 275 km yang ditunjukkan separuh busur di dunia.

Hawaii dan titik panas

Pada 1963 J. Tuzo Wilson mengusulkan bahwa Kepulauan Hawaii terbentuk satu demi satu di atas sumber magma tetap jauh di bawah lempeng Pasifik yang bergerak. Penanggalannya membenarkan dia. Batuan tertua Kaua'i berumur sekitar 5,0 sampai 5,5 juta tahun, pertumbuhan utama Maui Barat selesai sekitar 1,3 juta tahun lalu, dan Kīlauea sedang meletus sekarang. Midway, 2444 km dari Kīlauea, berdiri di atas gunung api berumur sekitar 28 juta tahun.

Adegan Titik panas memakai penanggalan ini untuk memutar mundur lempeng. Kepulan dibuat diam dan lempeng digeser agar gunung api dengan umur terpilih berada di atasnya, mengisi bagian antara gunung api yang diketahui umurnya di sepanjang rantai. Jarak dan umur memberi laju rata-rata:

Satu kilometer per juta tahun sama dengan satu milimeter per tahun, jadi angka ini 87 sampai 163 mm per tahun, lebih cepat daripada 69 mm per tahun yang diberikan NNR-MORVEL56 untuk lempeng Pasifik di Kīlauea hari ini. Dua hal menjelaskan sebagian besar selisihnya. Umur yang dipakai adalah akhir pertumbuhan utama tiap gunung api, yang bukan saat yang tegas, dan titik panas itu sendiri mungkin bergeser, sehingga kerangka titik panas dan kerangka tanpa rotasi netto tidak sama.

Lebih ke barat laut rantai berbelok tajam di Gunung Laut Daikakuji, yang oleh John O'Connor dan rekan pada 2013 ditanggali 47,5 juta tahun, lalu menuju utara sebagai Gunung Laut Emperor. Saat itu lempeng Pasifik mengubah arah geraknya. Gunung Laut Detroit di dekat ujung utara berumur 76 sampai 82 juta tahun.

Gunung api berikutnya sudah tumbuh. Kama'ehuakanaloa, yang disebut Lō'ihi sampai 2021, terletak 975 m di bawah laut di tenggara Pulau Besar. USGS memperkirakan bahwa dengan pertumbuhan 5 m per 1000 tahun ia butuh hingga 200.000 tahun untuk mencapai permukaan. Tugas ketiga meminta Anda mengarahkan panah ke sisi tempatnya berada.

Garis di dasar laut

Mineral besi dalam batuan panas menyejajarkan diri dengan medan magnet di sekitarnya, dan ketika batuan mendingin arah itu terkunci. Pada 1906 Bernard Brunhes menemukan lava di Prancis yang termagnetisasi berlawanan arah dengan medan sekarang, dan pada 1929 Motonori Matuyama mendapati lava muda di Jepang dan Korea menunjuk satu arah sedangkan yang lebih tua ke arah lain. Medan telah berbalik.

Di punggungan tengah samudra, kerak baru terbentuk terus-menerus dan bergerak menjauh ke kedua sisi. Maka dasar laut menjadi seperti pita rekaman: jalur kerak yang termagnetisasi ke satu arah, lalu ke arah lain, tercermin di kedua sisi punggungan. Kapal yang menarik magnetometer menemukan garis-garis ini pada 1950-an, dan pada 1963 Fred Vine dan Drummond Matthews menjelaskannya dengan pemekaran dasar laut dan pembalikan medan.

Adegan Punggungan menggambar garis-garis itu dari skala waktu polaritas Steven Cande dan Dennis Kent (1995). Masa normal sekarang, kron Brunhes, dimulai 0,78 juta tahun lalu; selang normal Jaramillo yang singkat berlangsung dari 0,99 sampai 1,07 juta tahun lalu; Olduvai dari 1,77 sampai 1,95. Dalam 5 juta tahun terakhir medan berbalik 20 kali. Lebar sebuah garis adalah rentang waktunya dikali setengah laju pemekaran. Pada 50 mm per tahun (25 km per juta tahun di tiap sisi) garis Brunhes mencapai 19,5 km dari sumbu; di Pematang Pasifik Timur, pada sekitar 143 mm per tahun, ia mencapai sekitar 56 km. Tugas keenam meminta laju yang menaruh tepinya di 60 km.

Dasar laut juga makin dalam seiring umurnya, karena lempeng mendingin dan menyusut. Barry Parsons dan John Sclater mencocokkan kedalaman = 2500 + 350 √t meter, t dalam juta tahun, dengan Pasifik Utara dan Atlantik Utara pada 1977. Adegan ini memakai kurva itu, digambar 15 kali lebih dalam agar terlihat.

Mantel yang berbalik

Mantel itu padat, namun selama jutaan tahun ia mengalir. Lempeng dingin tenggelam ke dalamnya di palung, dan sebagian bisa dilacak dengan pencitraan seismik sampai ke inti. Bahan panas naik dalam kepulan, dan dua wilayah raksasa tempat gelombang geser lambat berada di atas inti di bawah Afrika dan di bawah Pasifik. Edward Garnero dan Allen McNamara meninjau apa yang diketahui tentang wilayah ini pada 2008.

Adegan Konveksi hanyalah gambar konsep. Titik-titiknya mengikuti aliran mulus tiga sel agar Anda bisa melihat batuan naik di satu tempat dan turun di tempat lain. Aliran sebenarnya tiga dimensi dan bergantung pada suhu, komposisi, dan lempeng itu sendiri. Skala waktunya adalah angka yang berguna: pada 5 cm per tahun, kecepatan lempeng yang umum, melintasi 2867 km mantel butuh sekitar 57 juta tahun.

Medan magnet dari inti

Besi cair yang mengalir di inti luar membawa arus listrik, dan arus itu membuat medan magnet Bumi. Dilihat dari luar, medan ini mirip medan magnet batang. International Geomagnetic Reference Field, IGRF, menggambarkannya dengan deret koefisien yang diperbarui International Association of Geomagnetism and Aeronomy setiap lima tahun. Adegan Medan magnet menggambar bagian dipol, tiga koefisien pertama g₁⁰, g₁¹, dan h₁¹ dari IGRF-14. Untuk 2025 nilainya −29.350,0, −1410,3, dan 4545,5 nT. Dari sana:

• sumbu dipol miring 9,2° dari sumbu putar, dan kutub utara geomagnet berada di 80,8° U, 72,8° B;
• medan dipol di ekuator adalah √(g₁⁰² + g₁¹² + h₁¹²) = 29,7 µT, dan dua kali lipatnya di kutub;
• pada 1900 angka yang sama 32,2 µT, jadi dipol sekarang 7,6 % lebih lemah.

Klik sebuah titik di globe dan adegan menghitung medan dipol di sana: B = B₀ √(1 + 3 cos² θ), dengan θ sudut dari sumbu dipol, dan kemiringan jarum kompas, tan I = 2 cot θ. Medan sebenarnya berbeda dari dipol di beberapa tempat, karena suku orde lebih tinggi yang tidak dimasukkan adegan ini.

Garis merah adalah jalur kutub magnet utara, titik tempat jarum kompas menunjuk lurus ke bawah, dari National Centers for Environmental Information NOAA. Dari 1590 sampai 1900 ia berasal dari model medan gufm1 yang dibangun dari catatan pelayaran kapal, sesudahnya dari IGRF. Dalam 435 tahun itu kutub mengembara sekitar 4500 km dan berakhir 2000 km dari titik awalnya. Pada 1700 ia bergerak sekitar 6 km per tahun di Kanada Arktik; antara 2000 dan 2011 ia bergerak 55 sampai 58 km per tahun menuju Siberia; pada 2024 ia bergerak 37 km.

Penggeser waktu di adegan ini dipakai bersama dengan adegan Punggungan. Geser mundur melewati 0,78 juta tahun dan garis medan berbalik: kerucut kuning menunjukkan arah medan, dan selama kron Matuyama yang terbalik arahnya berlawanan.

Seberapa dalam kita sudah mengebor?

Adegan Lubang dalam menaruh tempat-tempat terdalam yang pernah dicapai manusia dalam satu papan, pada tiga skala:

• Lubang Superdalam Kola di Rusia barat laut mencapai 12.262 m pada 1989 dan masih lubang terdalam. Batuan di dasarnya 212 °C dan mengalir ke dalam lubang.
• Lubang KTB di Jerman mencapai 9101 m pada 1994, pada 265 sampai 270 °C.
• Pada 2024 kapal bor Chikyu menurunkan pipa bor 7906 m dari permukaan laut di Palung Jepang, pengeboran samudra ilmiah terdalam.
• Challenger Deep di Palung Mariana adalah dasar laut terdalam, 10.935 m (± 6 m) di bawah permukaan laut, diukur dari tekanan pada penyelaman kapal selam pada 2020.
• Samudra rata-rata sedalam 3682 m.
• Puncak Mauna Kea 4205 m di atas permukaan laut.

Atur bor kuning ke 12 km dan panel menampilkan 0,19 % dari jari-jari Bumi. Ganti skala ke pusat dan setiap lubang di papan muat di dalam garis paling atas. Tekanan pada kedalaman itu dalam PREM sekitar 0,27 GPa, dibanding 364 GPa di pusat.

Apa yang dilewatkan model

PREM adalah model satu dimensi: sama di setiap titik pada bola dengan jari-jari tertentu. Bumi sungguhan punya benua dan samudra, lempeng dingin dasar laut yang tenggelam, dan kepulan panas, sehingga kecepatan gelombang berbeda beberapa persen dari satu tempat ke tempat lain. PREM juga memuat sedikit ketergantungan arah di mantel atas; kami memakai versi rata-rata tanpa arah. Lintasan sinar pada irisan mengabaikan gelombang yang memantul dari batas atau merambat di sepanjangnya, dan gempa ditaruh tepat di bawah lapisan samudra agar air lambat di bagian paling atas tidak mengganggu gambar.

Adegan lain menyederhanakan dengan caranya sendiri, dan panel mengatakannya di tempat yang penting:

• Tabel waktu tempuh Lab gempa berasal dari sinar melalui PREM. Tepat di bawah Moho, kecepatan PREM turun sedikit seiring kedalaman, sehingga sinar dari sumber dangkal meninggalkan celah beberapa derajat di tempat rekaman nyata menunjukkan gelombang kepala yang merambat di sepanjang Moho. Lab menjembatani celah sampai 10° dengan garis lurus dalam waktu; bayangan inti, yang lebih lebar, dibiarkan kosong. Gelombang permukaan merambat dengan satu kecepatan model.
• Jam lempeng mempertahankan rotasi hari ini. Ia menunjukkan seberapa cepat lempeng bergerak, bukan di mana benua sebenarnya dahulu berada.
• Penampang subduksi menyambung sudut dangkal dan sudut dalam dengan kurva mulus dan memberi lempeng ketebalan 90 km. Kedalaman palung, bentuk lempeng di atasnya, dan celah gempa dalam pada tampilan Chili digambar untuk menjelaskan, bukan diukur.
• Pemutaran mundur Hawaii membuat titik panas diam dan menggerakkan lempeng hanya di sepanjang gunung api yang diketahui umurnya.
• Garis magnet adalah blok sempurna; anomali sungguhan kabur oleh cara kerak mendingin dan oleh lebar zona tempat kerak baru terbentuk.
• Adegan konveksi adalah gambar sebuah gagasan, tanpa skala waktu.
• Garis medan hanyalah bagian dipol IGRF.

Sejarah singkat

Pada 1798 Henry Cavendish mengukur tarikan antara bola timbal dengan neraca puntir dan mendapati Bumi 5,48 kali lebih padat daripada air, jauh lebih padat daripada batuan permukaan. Pada 1906 geolog Irlandia Richard Dixon Oldham menunjukkan bahwa gelombang P yang tiba di sisi jauh Bumi tertunda, dan berpendapat bahwa planet ini punya inti di tengah. Pada tahun yang sama Bernard Brunhes melaporkan lava yang termagnetisasi terbalik. Pada 1909 Andrija Mohorovičić menemukan dasar kerak. Pada 1912 Alfred Wegener berpendapat bahwa benua telah bergeser berpisah. Beno Gutenberg kemudian menempatkan puncak inti sekitar 2900 km, dekat nilai modern 2891 km. Pada 1926 Harold Jeffreys menunjukkan dari pasang surut dan gelombang S bahwa inti berwujud cair, dan pada 1929 Motonori Matuyama menanggali satu pembalikan medan. Inti dalam Lehmann menyusul pada 1936.

Kepingannya menyatu pada 1960-an. Harry Hess mengusulkan pemekaran dasar laut pada 1962; Vine dan Matthews membaca garis magnet pada 1963; Wilson menjelaskan Hawaii dengan titik panas pada tahun yang sama. Pada 1981 Dziewonski dan Anderson menggabungkan data seismik berpuluh tahun, bersama osilasi bebas yang terekam setelah gempa besar 1960-an, menjadi PREM. Batas lempeng Bird menyusul pada 2003 dan NNR-MORVEL56 pada 2011.