地球の内部構造はいくつかの連続した外皮に分かれており、主なものは地殻、マントル、核です。これらのエンベロープ自体は分解できるため、この表現は非常に単純化されています。これらの層を特定するために、地震学者は地震波と法則を使用します。地震波の速度が突然大きく変化するとすぐに、媒質の変化が起こり、したがって層の変化が起こります。この手法により、例えば人間が到達できない深さの物質の状態を知ることが可能になりました。 (ディープコート～コア)
これらの層は、モホロヴィチッチ不連続部、地震学者ベーノ・グーテンベルクにちなんで名付けられたグーテンベルクの不連続部、またはレーマンの不連続部などの不連続部によって区切られています。この構成を理解するには、地球の形成に戻る必要があります。地球は隕石の降着によって形成され、この形成中に、たとえば構成成分の密度によってさまざまな層が形成されました。
いくつかの歴史的なマイルストーン
古代から18世紀まで
古代以来、多くの人々が地球の内部構造を説明する試みで頭角を現してきました。これらの知識人の中には、地形のビジョン (起伏、火山、地震) に固執しようとする人もいれば、聖書本文 (洪水) の説明をモデルに組み込もうとする人もいます。そして、仮説が実験によって裏付けられる時代がやって来ます。これが地球物理学の時代です。したがって、この肖像画ギャラリーには、数学者、哲学者、神学者、そしてその後の博物学者、物理学者、地質学者が含まれています。ここでは最もよく知られているもののみを考慮します。
アリストテレス(紀元前4世紀) にとって、私たちの惑星は水と空気に囲まれた土と岩で構成されています。次に、火の層と星が現れます。コペルニクスが登場するまで、このビジョンはほとんど変わりませんでしたが、17世紀半ばには新しいアイデアが急増しました。
1644 年、デカルトが『哲学原理』で提示した地球は、太陽型の核を保持しているが、その外層が進化した古代の太陽です。いくつかの層が中心から順に続きます。岩石、水、空気、そして最後にこの空気の上でバランスを保った外側の地殻です。この壊れた地殻が起伏を形成し、海や海を形成する深層からの水の通過を可能にしました。
同時に、アタナシウス・キルヒャーは、地球儀は冷えた星であるが、地殻の下には溶けた物質が含まれており、それが時々火山を通って中心から流出するという仮説も立てました。 17世紀末から18世紀にかけて、数多くの仮説が提唱されました。
- 古代の彗星からの地球:ウィリアム・ホイストン(1667 – 1752)
- 地球は時間の経過とともに重力によって堆積した流体混合物で構成されていた: ジョン・ウッドワード (1665 – 1728) とトーマス・バーネット (1635 – 1715)
- 真空によって分離されたいくつかの同心のシェルと磁気コアを持つ中空地球: エドモンド・ハレー (1656 – 1742)
- 薄い外殻が重力と遠心力のバランスを保っている完全に中空の地球 : アンリ・ゴーティエ (1660 – 1737)
18世紀から20世紀へ
地質学の台頭により、理論は観測と地球物理学的測定に固執する必要があります。したがって、山塊が局所的な重力に与える影響がほとんどないということは、地球が空洞ではないことを証明する傾向があります。
地球の極地でのわずかな平坦化と特定の岩石の火成性の性質により、ジョルジュ・ド・ビュフォンは地球は最初は融合していたと述べた。ジョセフ・フルニエとピエール・コルディエ (1777 – 1861) は、鉱山の深さによる定期的な温度上昇 (25 メートルで 1 ℃) の測定により、地球の中心が数千度の温度で溶けていることを推定し、推測するようになりました。 。この温度の起源については、長く議論されるだろう。冷却中の地球上の元の熱の残留物なのか、それとも内部の化学反応や核反応による温度上昇なのか。さらに、この熱は、内部のすべての物質が一定の深さを超えるとガス状になるのに十分なほど強いのではないでしょうか?
ウィリアム・ホプキンスにとって、圧力の関数としての岩石の融点の変化は、再び固体の核を支持する方向に天秤を傾けた。ケルビン卿によれば、潮汐に関連する非常に低いレベルの地面の動き（海の潮汐の正確な測定との比較によって評価される）は、地球が流体ではなく弾性のある固体の特性を備えていることを主張しています。
地球の岩石と隕石の組成の分析、および地球の平均密度(5.5) の測定は、薄くて軽いケイ酸塩の地殻がより高密度のかさ高い金属コアを覆ういくつかのモデルに影響を与えます。最後に、ますます正確であることが判明する地震学的データの分析により、現在のモデルを確立することが可能になります。
調査方法
直接調査
人類の探検
ケイビングという多面的なアクティビティは、スポーツの要素においてさえ、記録の確立にはほとんど役に立ちません。長い間、-1,000 という評価はテクノロジーでは実現できない夢にすぎませんでした。この神話の深みに初めて到達したのは、1956 年にヴェルコール山塊(イゼール県) のグフルベルジェでした。 2005 年、西コーカサス (アブハジア) のクルベラ洞窟(旧ヴォローニャ峡谷) で、洞窟学者によって -2,000 メートルという驚異的な深さを突破したところです。
–2000メートルはいいけど、その先は？より低く、さらに深く、私たちは何を見つけますか？ジュール・ヴェルヌの想像力豊かな宝物と彼の「地球の中心への旅」の背後に実際には何が隠されているのでしょうか?これが、直径12,740キロメートルの地球の最初のヘクトメートルに触れることで満足している私たちがここで発見しようとしているものです。
鉱山で調査された地形の多様性は、洞窟学者が調査した堆積岩の広がりよりもはるかに多く、開発された地形ははるかに古いです。さらに、鉱山労働者は毎日、気温の上昇という現象に遭遇しており、この現象は18世紀以降、溶けた核を持つ地球の仮説に影響を与えました。
いずれにせよ、世界で最も深い鉱山（2002年の南アフリカの西部深層では約3,500メートル）でさえ、地球の地殻を傷つけるだけであり、間接的な探査の使用がなければ、私たちはそのことについてまったく知らないままだったでしょう。私たちの地球の深いコンテンツ。
深穴加工
ドイツの地下9,800メートルに到達したKTBプログラム（ドイツ連邦共和国）やコラ半島（ロシア）の13キロメートルに達したような深部掘削の目的は、岩石圏をより深く理解し、その間の移行帯に到達することである。それと上部マントル：モホ。
これらの掘削により、地殻の構造と組成を確認したり、地域の地震プロファイルを追跡したりすることが可能になったとしても、残念ながら、現在まで切望されている下層に到達することはできていません。したがって、たとえば、深さ10キロメートルの岩石の温度が約300℃に達していることを測定することができました。
海洋の地殻は大陸プレートよりも薄いため、このレベルでの突破口を試みるいくつかのプロジェクトが登場しました。MOHOLE、次に米国の JOIDES、そして国際的な IPOD または ODP / DSDP プログラムです。残念ながら、モホロヴィチッチ不連続点への掘削に成功した船舶はまだありません。
隕石の研究
地球の連続する層がどのように徐々に分化したかを理解することは、それを生じさせた原始物質の正確な組成を知ることによって非常に容易になるでしょう。優れた処方に絶対に必要な元素は、鉄、ニッケル、ケイ酸塩です。これらの元素（および他のいくつかの元素）は、コンドライトと呼ばれる隕石の一種で見つかります。それらには、融合後に固化したケイ酸塩の小さな球状領域、コンドリュールが含まれており、その名前がこれらの隕石の名前の由来となっています。
アジェンデコンドライトなど、それらの中には、金属鉄と酸化鉄の混合物、および大量の炭素が含まれているものもあります。他には、インダルク コンドライト、金属鉄、ケイ酸マグネシウム(MgSiO3) などがあります。エンスタタイトは、地球のマントルで非常に一般的です。他のコンドライトは、より原始的なもので、完全に酸化した鉄を示します。これらは CI 炭素質隕石です。それらは、組成において、約 45 億 7 千万年前に太陽系を誕生させたガス状星雲と 44 億 5 千万年前に地球を誕生させたガス状星雲に非常に近いです。
これらすべてのコンドライトの中で、エンスタタイトを 45% 含むコンドライトだけが、地球の密度と現在の深部の性質 (軽いケイ酸塩の層と、より重い金属が移動したコア) に一致する化学組成と同位体組成を持っています。明らかに、これらの隕石はサイズが小さすぎるため区別されず、元素は比較的均一に分布したままです。
間接調査（地球物理学）
地震トモグラフィー
地震計を使用して得られた記録の分析により、20世紀の地球のモデルを完全に更新することが可能になります。原理は比較的単純です。地震の後、震源の位置を可能な限り正確に決定します。次に、地球全体に伝わる振動を記録します。これらの波現象は、反射や屈折などの物理法則の影響を受けます。さらに、通過する環境に応じてすべてが同じ速度で移動するわけではないため、移動時間と移動距離の曲線を注意深く調べることで、地球の内容を評価することが可能になります。地震トモグラフィーで研究される波は、地球全体をあらゆる方向に伝わる背景波です。人間の建造物に損傷を与える表面波は地殻内のみを伝播し、より深い層についての情報は与えません。
いくつかの波はすぐに到着します。これらは P 波 (ファースト波など) です。他のものは遅れて後で記録されます。これらは S 波 (秒のような) です。
| P 波は、圧縮作用を示す振動です。粒子は、バネや音波と同じように、波の伝播方向に移動します。これらの圧縮波は固体、液体、気体中を伝播します。 |
| S 波はせん断波です。粒子は波の伝播方向に対して垂直に移動します。これは弦の振動に似ています。これらのせん断波は固体中では伝播しますが、液体や気体の媒体中では伝播しません。 |
2 種類の P 波と S 波の速度は、交差する材料の密度によって異なります。通過する層が柔らかいほど、波の伝播は遅くなります。さらに、P 波が遷移領域 (マントルとコアの境界面など) に非垂直に到達すると、そのエネルギーのごく一部が別の波形に変換されます (P の一部が S になります)。したがって、地震探査の解釈は困難です。なぜなら、さまざまな種類の波の痕跡が重なり合っており、それらを解きほぐす必要があり、その起源を説明する必要があるからです。状況をもう少し良くするために、これらすべての波を異なる文字で指定し、それらを進化に合わせて組み合わせることができます (以下の表を参照)。
| P波 | S波 | |
|---|---|---|
| コート | P | S |
| 外核 | K | |
| 内核 | 私 | J |
したがって、PP 波は、地球儀の表面で反射した後、検出される表面に再び現れる前にマントル内に留まった P 波です。 PKP波は、液体の外核（経路＝マントル/外核/マントル）を通過した後に地表に現れるP波になります。したがって、必要に応じて名前を長くすることができます。かなり複雑な例を見てみましょう。準垂直波が地球の表面で跳ね返り、核のそばを 2 回 (往路と復路で) 通過した後、地球儀を左右に横切り、種子は装飾された表面に再び現れます。 PKIKPPKIKP という、まったく発音できない回文という素敵なニックネームが付いています。
20世紀中に、地震トモグラフィーを使用していくつかの重要な発見が行われました。
1909 年、アンドリヤ モホロヴィ?イ?クロアチアの下で地殻とマントルの境界面を発見し、その発見者モホに敬意を表して現在親しい友人たちによって呼ばれています。
1912 年、ベノ グーテンベルク (1889-1960) は、P 波の研究により、マントルと核の境界面を深さ 2900 km に配置しました。
1926 年、Harold Jeffreys (1891-1989) は金属コアの流動性を確立しました。
1936 年、インゲ レーマン (1888-1993) はシード、つまり核内の金属部分を発見しました。その堅牢性はその後数十年にわたって確立されることになります。
同時に、1923 年から 1952 年にかけて、他の地球物理学者 (アダムス、ウィリアムソン、ブレン、バーチなど) は、深さによる密度の変化と、それによって発生する圧力を決定できる方程式に取り組みました。
これで、地球の構造のほとんどが整いました。その進化、浮き沈み、磁場の変化などをより良く理解するために、内部の動的な理解を改善することが残されています。
磁気の研究
地磁気は非常に興味深い現象であり、解釈が非常に複雑です。地球は、重大な磁場(コンパスの針を偏向させ、特定の宇宙の擾乱から私たちを守る磁場) を生成する一種の自立型ダイナモのように動作します。この磁場は時間の経過とともに変化し、発生以来何百回も逆転することさえあります。この力学を解釈することは、地球儀の内部構造の構成とその動きを理解することと切り離せません。
数値モデリングの試みと室内実験が研究されています。彼らはまだ球体にダイナモ効果を生み出すことはできていませんが、液体の粘度と回転速度に応じて特定の温度で対流柱が現れることを示しました。これらの動きは、私たちが知っている地球の電磁場の創造の仮説と一致します。
現行モデル
詳細構造
(1)固体の大陸地殻。主に花崗岩で、所々に堆積岩が上にあります。それは海洋地殻（山脈の下30kmから100km）よりも厚いです。地殻または地球の地殻は、地球の体積の約 1% を表します。以前はSIAL（シリコン+アルミニウム）と呼ばれていました。
(2)玄武岩質岩を主成分とする固体海洋地殻。比較的細い（約5km）。 SIMA（シリコン＋マグネシウム）とも呼ばれます。
(3)プレートがマントルに数百キロメートルまで沈み込むことがある沈み込み帯。
(4)上部マントルは下部マントルよりも粘性が高い。それは本質的にカンラン岩などの岩石で構成されています（その鉱物はカンラン石、輝石、ガーネットです）。地殻と上部マントルの接触部分には、LVZ と呼ばれるゾーンが検出されることがあります。 (番号11を参照)。
(5)火山活動が活発な地域での噴火。ここでは 2 つのタイプの火山活動が示されており、2 つのうちのより深い方は「ホットスポット」と呼ばれます。これらは、マグマが液体コアの限界に近いマントルの深さから来る火山です。したがって、これらの火山は構造プレートと結びついておらず、したがって地殻の動きに従わず、地球の表面上でほとんど動かないことになります。
(6)弾性固体の性質に劣る塗膜。特定の火山噴火による溶岩流を見ると信じられるように、マントルは液体ではありませんが、他の層よりも「硬く」ありません。マントルは地球の体積の84%を占めます。
(7) より高温の物質のプルーム。核との境界から始まり、地表に到達すると部分的に溶け、ホットスポット火山活動を引き起こします。
(8)液体の外核は、基本的に鉄 (約 80%) とニッケルと、いくつかの軽い元素で構成されています。その粘度は水に近く、平均温度は 4000 °C に達し、密度は 10 です。この膨大な量の溶融金属は確実に撹拌されます (対流によってだけでなく、地球のさまざまな回転運動や歳差運動にも追随して)。液体鉄の流れは電流を発生させ、磁場を発生させて電流を強化し、互いに支え合うことでダイナモ効果を生み出します。したがって、液体コアは地球の磁場の起源にあります。
(9)外部コアの進行的な結晶化によって形成される本質的に金属性の固体内部コア (またはシード)。温度が 5000 °C を超え、密度が約 13 であるにもかかわらず、圧力により固体状態が維持されます。内核と外核は地球の体積の 15% に相当します。
(10)物質がスローモーションにあるマントル対流セル。マントルは、熱エネルギーの大部分を地球の核から地表に伝達する対流の場所です。これらの海流は大陸移動を引き起こしますが、その正確な特性 (速度、振幅、位置) はまだよくわかっていません。
(11)リソスフェア: それは地殻 (構造プレート) と上部マントルの一部で構成されています。リソスフェアの下限は深さ 100 ～ 200 キロメートルにあり、かんらん岩が融点に近づく限界にあります。リソスフェアの底部（一部の地質学者はこれを含みます）に、LVZ（「低速ゾーン」の略）と呼ばれるゾーンを見つけることがあります。そこでは、速度の低下と P および S 地震波の顕著な減衰が観察されます。この現象は、次の原因によるものです。かんらん岩の部分的な溶融により、より大きな流動性が得られます。 LVZ は通常、大陸地殻の山脈の根元の下には存在しません。
(12)アセノスフェア: これは上部マントルの下部ゾーンです (リソスフェアの下)。
(13)グーテンベルクの不連続性: マントル/コア遷移ゾーン。
(14)モホロビッチ不連続体: 地殻/マントル遷移帯 (したがって、リソスフェアに含まれます)。
特徴
この図では、温度は情報提供のみを目的として摂氏で示されています。これらは直接測定することはできず、推定するだけであるため、おおよその値になります (深くなるほど、誤差の範囲が大きくなります)。さらに、地球儀は完全な球形ではなく、実際の赤道半径は極半径より約 20 キロメートル大きくなります。このため、五大湖の近くに源流を持つミシシッピ川は、標高を相対的に測定した場合、源流の「高度」よりも高い「高度」(メキシコ湾への河口の高度)で放流します。地球の中心。機械的位置エネルギーの観点から考えると、水は流れることによって「下降」します。標高の基準として海面が取られます。
参考文献
出版物
- CABROL N. および GRIN E.「地球と月」、Que Sais-je、No. 875、PUF、1998
- ルネ・ダール「地質学」、Que Sais-je、No. 525、PUF、2000
- Vincent Deparis と Hilaire Leggro、「地球内部への旅」、 CNRS Editions、パリ、2000
- ジャン・ゴーゲル (SDD) 「Géophysique」、ラ・プレアーデ NRF ガリマール、1971 年
- ガブリエル・ゴーハウ、「地質学の歴史」ル・スイユ、1990
- モーリス・クラフト、「地球の火」、ガリマール、1991
- モーリス・マタウアー、「石が語ること」、プール・ラ・サイエンス図書館、1998
- アンリ・クロード・ナタフとジョエル・ソメリアによるSD、「地球の物理学」、Belin CNRS Editions、2000
- ジュール・ヴェルヌ、「地球の中心への旅」、ヘッツェル編、1867年
- 雑誌「プール・ラ・サイエンス」の記事
- No. 225 (1996)、ALEXANDRESCU M. および HULOT G. 「核心を見る」
- No. 226 (1996)、ロルフ・エマーマン、「ドイツ地下 9 キロメートル」
- No. 265 (1999)、モーリス・マタウアー、「地震学とテクトニクス」
- No. 318 (2004)、マリアンヌ・グレフ・レフツェ、「地球、液体の心臓を持つ頂上」
- No. 318 (2004)、アンリ・クロード・ナタフ、ドミニク・ジョー、ダニエル・ブリトー、フィリップ・カルダン、「地上ダイナモのエンジン」
- No. 318 (2004)、サンドロ・スカンドロとレイモンド・ジャンロズ、「惑星の中心で」
- No. 329 (2005)、マーク・ジャヴォイ、「地球の誕生」