سفر به اعماق زمین
درس در يک نگاه
از آنجايي كه بخش عمده‌ي منابع و مخازن طبيعي مورد استفاده‌ي انسان مانند نفت، گاز، زغال سنگ، آب‌هاي زيرزميني و ساير معادن فلزي و غيرفلزي در لايه‌هاي دروني زمين واقع شده‌اند، ضروري است كه ساختمان دروني زمين مورد مطالعه قرار گيرد.
دانشمندان، ساختمان دروني زمين را به كمك امواج لرزه‌اي مورد مطالعه قرار مي‌دهند. آنها با استفاده از ويژگي‌هاي شيميايي و فيزيكي مواد سازنده‌ي زمين، لايه‌هاي مختلف را نامگذاري مي‌كنند.
براساس خواص شيميايي، لايه‌هاي زمين به سه لايه‌ي: پوسته، گوشته و هسته تقسيم‌بندي مي‌شوند.
براساس خواص فيزيكي، لايه‌هاي زمين به پنج لايه‌ي: سنگ كره، خمير كره، گوشته‌ي زيرين، هسته‌ي خارجي و هسته‌ي داخلي تقسيم‌بندي مي‌شوند.
اهداف/ پيامد
در پايان اين درس انتظار مي‌رود دانشآموزان بتوانند:
سطح 1: لايه‌هاي مختلف زمين را از طريق نقاشي، ساخت ماكت و مدل نشان دهند.
سطح2: برخي از ويژگي‌هاي لايه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي زمين را از روي مدل توضيح دهند.
سطح 3: براساس مدل ساخته‌شده، تفاوت‌هاي لايه هاي مختلف و اهميت هر لايه را توضيح دهند.
مواد و وسايل آموزشي
- يك ميز آهني، چوبي و پلاستيكي
- پارافين ژله‌اي
- توپ پينگ‌پنگ
- خاك رُس
- بادكنك
- نخ كاموا
- ماسه ي ريز
دانستني‌ها براي معلم
براساس مطالعات مستقيم (حفاري چاه، نمونه‌برداري از مواد خروجي از دهانه‌ي آتشفشان‌ها و...) و غيرمستقيم (امواج لرزه‌اي و...) زمين‌شناسان، ساختمان دروني زمين را به صورت‌هاي زير معرفي كرده‌اند:
شكل برشي از لايه‌هاي زمين
الف) از ديدگاه شيميايي: در اين ديدگاه، تركيب شيميايي و كاني‌شناسي مواد سازنده‌ي لايه‌هاي دروني زمين مورد بررسي قرار مي‌گيرندكه بر اين اساس به سه لايه: پوسته (Crust)، گوشته (Mantel) و هسته (Core) تقسيم‌بندي مي‌شوند.
پوسته:
نمودار نشان‌دهنده‌ي تغييرات سرعت امواج
به بالاترين لايه‌ي كره‌ي زمين كه به‌صورت قشر نسبتاً نازكي گوشته‌ي زمين را دربر گرفته است، پوسته مي‌گويند. پوستهي زمين به دو بخش قارهاي و اقيانوسي تقسيم مي‌شود.
پوستهي قارهاي، خشكيها را شامل مي‌شود و ضخامت آن حدوداً بين 20 تا 70 كيلومتر متغير است و پوستهي اقيانوسي بستر اقيانوس‌ها را شامل مي‌شود و ضخامت آن حدوداً بين 8 تا 12 كيلومتر متغير مي‌باشد.
تراكم و چگالي پوستهي اقيانوسي بيشتر از پوستهي قارهاي مي‌باشد، به‌طوري كه چگالي پوستهي قارهاي gr/cm3 8/2 و پوستهي اقيانوسي gr/cm3 3 مي‌باشد.
از نظر تركيب سنگ‌شناسي، پوستهي قارهاي بيشتر از سنگ آذرين اسيدي تا حد واسط مانند گرانيت و آندزيت تشكيل شده است.
سن پوستهي اقيانوسي جوانتر از پوستهي قارهاي است؛ به‌طوري كه سن پوستهي اقيانوسي حداكثر 200 ميليون سال است در حالي كه سن پوستهي قارهاي تا حدود 8/3 ميليارد سال مي‌رسد.
گوشته:
اين لايه در زير پوسته قرار گرفته است كه از طريق ناپيوستگي موهو از پوسته جدا مي‌شودو تا عمق حدود 2900 كيلومتري ادامه دارد. چگالي گوشته از پوسته بيشتر است به‌طوري كه مقدار آن در گوشته‌ي بالايي حدود
gr/cm3 3/3 است و در گوشته‌ي زيرين به حدود gr/cm3 5/5 مي‌رسد.
تركيب سنگ‌شناسي گوشته عمدتاً شامل سنگ‌هاي آذرين فوق بازي مانند پريدوتيت، پيروكسنيت و... مي‌باشد.
هسته:
اين لايه، داخلي‌ترين لايه‌ي زمين است كه از طريق ناپيوستگي گوتنبرگ از گوشته جدا مي‌شود و تا مركز زمين (عمق Km6368) ادامه دارد. چگالي آن بيشتر از گوشته است به‌طوري كه مقدار آن از حدود gr/cm3 5/5 شروع و در قسمت‌هاي مركز زمين به حدود gr/cm3 11 مي رسد.
تركيب شيميايي آن بيشتر از عناصر فلزي و سنگين مانند آهن و نيكل تشكيل شده است.
شكل برشي از لايه‌هاي زمين
ب) از ديدگاه فيزيكي: در اين ديدگاه، خواص فيزيكي مانند حالت مواد (جامد، خميري و مايع) و تراكم لايه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي زمين مورد بررسي قرار مي‌گيرد كه بر اين اساس به پنج لايه: سنگ كره (Lithosphere)، خمير كره (Astenosphere)، گوشته‌ي زيرين (Lower Mantel)، هسته‌ي خارجي (Outer Core) و هسته‌ي داخلي (Inner Core) تقسيم‌بندي مي‌شوند
سنگ كره (Lithosphere):
سنگ كره، شامل پوسته به‌علاوه‌ي بخش جامد و فوقاني گوشته مي‌باشد كه حالت فيزيكي آن جامد است و ضخامت آن حدود 100 كيلومتر مي‌باشد. اين لايه بر روي قسمت خميري گوشته (نرم كره) واقع شده است كه در برخي از قسمت‌ها داراي حركت مي‌باشد. در برخي از منابع، اين بخش از زمين، سخت كره نيز ذكر شده است.
خمير كره (Astenosphere):
اين بخش از كره‌ي زمين حالت خميري دارد و از سنگ كره (عمق حدود 100 كيلومتر) شروع مي‌شود و تا عمق حدود 350 كيلومتر ادامه مي‌يابد. منشأ بيشتر زمين‌لرزه‌ها و آتشفشان‌ها مربوط به اين لايه مي‌باشد. در برخي از منابع اين لايه را با نام‌هاي «نرم كره» و «سست كره» ذكر كرده‌اند.
گوشته‌ي زيرين (Lower Mantel):
اين قسمت از زمين كه حالت جامد دارد از زير آستنوسفر (عمق حدود 350 كيلومتر) شروع و تا مرز گوتنبرگ (عمق حدود 2900 كيلومتر) ادامه دارد.
هسته‌ي خارجي (Outer Core):
اين لايه از زمين كه حالت مايع دارد از مرز گوتنبرگ (عمق حدود 2900 كيلومتر) شروع و تا مرز لِمان (عمق حدود 5100 كيلومتر) ادامه دارد. تركيب شيميايي آن عمدتاً از عناصر فلزي مانند آهن و نيكل تشكيل شده است. اين لايه در ايجاد ميدان مغناطيسي زمين مؤثر است.
هسته‌ي داخلي (Inner Core):
اين لايه حالت جامد دارد و از مرز لمان شروع و تا مركز زمين (عمق حدود 6400 كيلومتر) ادامه دارد. تركيب شيميايي اين لايه نيز همانند هسته‌ي خارجي مي‌باشد اما چگالي (وزن مخصوص) آن بيشتر از هسته‌ي خارجي است.
هسته‌ي داخلي با آنكه در قسمت عميق‌تر از هسته‌ي خارجي قرار دارد، حالت فيزيكي آن جامد است. علت اين امر مربوط به فشار زياد در هسته‌ي داخلي مي‌باشد. به عبارت ديگر در اين بخش (هسته‌ي داخلي)، تأثير فشار بيشتر از دما مي‌باشد.
به نظر شما دانشمندان چگونه به اطلاعات فوق دست يافتند؟
زمين‌شناسان براي مطالعه‌ي ساختمان دروني زمين به دو طريق عمل مي‌كنند:
الف) روش مستقيم: در اين روش، به‌طور مستقيم از قسمت‌هاي دروني زمين نمونه‌برداري مي‌كنند؛ مانند:
1- حفاري در پوستهي زمين و برداشت نمونه از عمق‌هاي مختلف جهت مطالعه. البته عميق ترين حفاري انجام‌شده در حدود Km 13 عمق دارد.
2- استفاده از مواد مذاب آتشفشاني كه اين مواد گاهي به همراه خود قطعاتي از بخش‌هاي عميق پوسته را به سطح زمين مي‌آورند و از طريق بررسي آنها به خصوصيات بخش‌هاي دروني زمين (گوشته‌ي فوقاني و پوسته) پي مي‌برند.
ب) روش غيرمستقيم: در اين روش از امواج لرزه‌اي استفاده مي‌شود؛ به‌طوري كه سرعت اين امواج در بخش‌هاي مختلف زمين متفاوت است. يعني در قسمت پرتراكم و چگال، سرعت امواج زياد (بيش از Km/s 10) و در بخش‌هاي كم‌تراكم، سرعت اين امواج، كم (كمتر از Km/s 6) است.
امواج لرزه‌اي، انواع متفاوتي دارند كه دو نوع مهم آن كه در مطالعه‌ي ساختمان دروني زمين كاربرد دارند عبارتند از: امواج اوليه (طولي P) و امواج ثانويه (عرضي S).
امواج P از تمام حالت‌هاي مواد (جامد، مايع و خميري) عبور مي‌كنند اما امواج S فقط از جامدات عبور مي‌كنند؛ به‌طوري كه در هنگام آزادشدن امواج لرزه‌اي، موج P از تمام بخش‌هاي زمين عبور مي‌كند در حالي كه سرعت آن در بخش‌هاي مختلف، متفاوت است؛ به‌عنوان مثال، در پوسته، سرعت كم است و به‌تدريج كه به بخش‌هاي عميق گوشته و در نهايت هسته مي‌رسد، سرعت آن نيز افزايش مي‌يابد.
نمودار نشان‌دهنده‌ي تغييرات سرعت امواج
امواج S كه فقط از جامدات عبور مي‌كنند، در مسير حركت خود از سطح زمين به سمت مركز زمين، ابتدا در پوسته با سرعت معين، حركت نموده، در هنگام رسيدن به بخش خميري (آستنوسفر) سرعت آن كاهش مي‌يابد، پس از عبور از آستنوسفر مجدداً سرعت آنها افزايش مي‌يابد و در نهايت در مرز گوتنبرگ، متوقف مي‌گردد كه علت اين امر، مايع‌بودن هسته‌ي خارجي مي‌باشد.
نکات آموزشي
در صورت امكان، معلم فيلم سفر به اعماق زمين را تهيه كرده و براي دانشآموزان نمايش دهد و ار آنها بخواهد كه در گروه‌هاي خود در مورد آن بحث كنند. در صورت عدم دسترسي به فيلم، درباره‌ي داستان ژول‌ورن، گفت‌وگو كنند. سپس سؤالات زير مطرح شود:
1- آيا به راستي سفر به اعماق زمين امكان‌پذير است؟
2- دانشمندان اطلاعات مربوط به ساختمان دروني زمين را چگونه به‌دست مي‌آورند؟
3- به نظر شما چگونه مي‌توانيم به مطالعه‌ي ساختمان دروني زمين بپردازيم؟
4- ضرورت مطالعه‌ي ساختمان دروني زمين چيست؟
براي پاسخ به سؤالات بالا لازم است كه فعاليت‌هاي زير را انجام دهيم:
فعاليت مربوط به نشان دادن امواج لرزه‌اي (به‌وسيله‌ي تلفن همراه).
معلم گوشي خود را در حالت لرزشي (ويبره) قرار مي‌دهد و از دانشآموزان مي‌خواهد كه از تلفن ديگري به اين گوشي زنگ بزنند و در هنگام لرزش گوشي، از دانشآموزان بخواهيد كه‌آن را مشاهده نمايند. در هنگام مشاهده سعي شود دانشآموزان از تمام خواس خود استفاده نمايند. توجه به تأثير گوشي بر ميز و لمس گوشي ضروري است (توجه كنيد دانشآموزان تلفن همراه به مدرسه نياورند و از گوشي معلمشان استفاده كنند). از آنان خواسته شود كه مشاهدات خود را بيان كنند و موارد ديگري از لرزش اجسام را نام ببرند.
تأكيد بر لرزش و انتقال لرزش به ميز دانشآموزان براي فهم انتقال امواج لرزه در داخل اجسام كه جزء اهداف درسي است مورد توجه قرار گيرد.
در فعاليت مربوط به «آزمايش كنيد» از دانشآموزان خواسته شود چگونگي انتقال لرزش (امواج لرزه‌اي) را در موارد مختلف مقايسه كنند و به اين نتيجه برسند كه سرعت انتقال امواج لرزه در داخل مواد متراكم بيشتر از مواد كم‌تراكم است.
پس از انجام آزمايش، اين سؤال مجدداً مطرح شود كه به نظر شما دانشمندان چگونه ساختمان دروني زمين را مطالعه مي‌كنند. آنان توسط معلم راهنمايي شوند تا اين كه به چگونگي مطالعه‌ي زمين تويط امواج لرزه بپردازند و درباره‌ي لايه‌هاي زمين و تراكم آنها با توجه به دانسته‌هاي قبلي خود بحث كنند. دانشآموزان براي كمك به بحث مي‌توانند از تصاوير داخل كتاب نيز استفاده نمايند.
همان‌طوركه مي‌دانيد پوستهي زمين به دو نوع قارهاي و اقيانوسي تقسيم مي‌شود كه دانشآموزان مي‌توانند اين دو نوع پوسته را از روي شكل با هم مقايسه كنند. پس از آنكه لايه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي زمين ارائه شد، در يك جلسه يا زنگ علوم از دانش‌آاموزان خواسته شود كه مدل ساختمان دروني زمين را بسازند و پس از تهيه‌ي مدل، لايه‌ها را با هم مقايسه كنند. در بررسي مدل، دانشآموزان بايد به تفاوت ضخامت، تراكم (مثل نرم بودن بخشي از گوشته) اشاره كنند.
نظرات شما عزیزان:
تبادل لینک هوشمند 
خبرنامه وب سایت: