Zemljinu jezgru nitko nije vidio izravno niti je do nje stigla bušotina. Ipak, znamo da se ispod stjenovitog plašta nalazi tekuća vanjska jezgra, a u središtu planeta čvrsta unutarnja jezgra. Najvažniji trag pružaju potresi: valovi koje proizvode prolaze kroz različite dijelove Zemlje i na površinu stižu nakon promjena brzine i smjera širenja.
Presjek planeta koji se prikazuje u udžbenicima nije fotografija njegove unutrašnjosti. To je model izveden iz mjerenja. Njegove glavne granice dobro su potkrijepljene, dok se pojedinosti poput raspodjele temperature, sastava pojedinih područja i načina njihova gibanja još istražuju.
Potresni valovi prolaze kroz planet
Potres ne trese samo tlo blizu žarišta. Dio njegove energije širi se kroz Zemlju i može se zabilježiti seizmometrima daleko od mjesta nastanka. Važni su vrijeme dolaska vala, njegova amplituda i oblik signala. Iz tih podataka seizmolozi rekonstruiraju put vala kroz planet.
P-valovi, odnosno primarni valovi, uzrokuju stiskanje i rastezanje materijala u smjeru širenja. S-valovi, odnosno sekundarni valovi, pomiču čestice poprečno na taj smjer. Njihova se svojstva razlikuju: P-valovi mogu prolaziti kroz čvrstu tvar i tekućinu, dok se S-valovi ne šire kroz tekućinu.
Upravo je ponašanje tih valova ključno za razlikovanje čvrstih i tekućih slojeva. USGS-ov prikaz putanja P-valova i S-valova pokazuje kako je iz seizmičkih mjerenja prepoznata tekuća vanjska jezgra. Njezin položaj ne određuje se na temelju jednog potresa, nego usporedbom signala iz brojnih žarišta i postaja.
Zašto neki valovi ne stižu na određena mjesta?
Kad val prijeđe u materijal drukčijih svojstava, može promijeniti brzinu i smjer. Dio energije može se i odbiti na granici slojeva. Zbog takvih promjena postoje područja na površini do kojih određeni izravni seizmički valovi ne stižu, premda ih instrumenti bilježe drugdje.
Važan je cijeli raspored tih područja. Kad bi Zemlja bila jednolična kugla, vremena dolaska i raspodjela signala bili bi drukčiji. Model sa stjenovitim plaštem i tekućom vanjskom jezgrom mnogo bolje objašnjava ono što seizmometri mjere.
Svojstva unutarnje jezgre određuju se analizom valova koji prolaze blizu središta i kroz njega. Njihovi dolasci, prelamanje i pretvorbe između različitih vrsta valova omogućuju provjeru modela. Nije dovoljno reći da se jedan signal "vidi" ili "ne vidi"; potrebno je objasniti cijeli skup opažanja.
Plašt nije ocean rastaljene stijene
Prema USGS-ovu pregledu Zemljinih slojeva, plašt se proteže do približno 2900 kilometara dubine. Ispod njega počinje vanjska jezgra, a unutarnja jezgra zauzima središnji dio planeta. Granice su približne vrijednosti u globalnom modelu, a ne jamstvo da je struktura jednaka u svakoj točki.
Velik dio plašta čini čvrsta stijena. Visoka temperatura ne znači automatski da je materijal rastaljen: važno je i djelovanje tlaka te sastav minerala. Tijekom dugih geoloških razdoblja čvrsta se stijena može postupno deformirati i gibati. To nije isto što i slobodno tečenje vode u posudi.
Vanjska jezgra je tekuća, dok unutarnja ostaje čvrsta pri još većem tlaku. Prikaz cijele Zemljine unutrašnjosti kao vatrenog prostora ispunjenog magmom izostavlja upravo razlike koje objašnjavaju seizmičke podatke. Magma se može stvarati u određenim područjima, ali ona nije stanje čitavog plašta.
Seizmička tomografija otkriva razlike unutar slojeva
Osnovni slojevi nisu posljednji korak istraživanja. Uspoređivanjem valova koji prolaze različitim putanjama moguće je odrediti područja u kojima se šire malo brže ili sporije od očekivanog prosjeka. Takva rekonstrukcija naziva se seizmička tomografija.
Promjena brzine može biti povezana s temperaturom, sastavom, mineralnim stanjem ili kombinacijom tih svojstava. Sporiji val ne znači sam po sebi da je cijelo područje rastaljeno. Isti seizmički trag ponekad dopušta više fizičkih objašnjenja, koja se zatim ispituju dodatnim podacima i pokusima.
Tomografija je pomogla rekonstruirati ostatke nekadašnjih tektonskih sustava. Istraživanje Velike Adrije primjer je povezivanja površinske geologije s tragovima materijala koji je potonuo u dubinu. Karta podzemnih brzina sama ne prikazuje granice nekadašnjeg kontinenta; njezino tumačenje mora se slagati s drugim dokazima.
Kako se stijene ponašaju pod velikim tlakom?
U laboratorijima se minerali izlažu visokom tlaku i temperaturi. Mjerenja pokazuju kako se mijenjaju gustoća, kristalna struktura i brzina prolaska valova. USGS-ov pregled Zemljine unutrašnjosti povezuje takve pokuse sa seizmičkim zapisima, gravitacijom, magnetskim poljem i drugim mjerenjima.
Pojedini uzorci iz dubine stižu i na površinu. Vulkanizam može prenijeti dijelove plašta, a minerali zatvoreni u dijamantima mogu sačuvati trag uvjeta u kojima su nastali. Takav uzorak pruža izravnu informaciju o određenom materijalu, ali ne predstavlja prosječan sastav cijelog sloja. Za njegovu vrijednost presudno je koliko se pouzdano može utvrditi podrijetlo.
Glavne granice Zemljinih slojeva i njihovo agregatno stanje potkrijepljeni su mnogim neovisnim mjerenjima. Detaljnija karta ovisi o rasporedu potresa i postaja, kvaliteti signala te razlikovanju više mogućih uzroka promjene brzine. Najslabije istražena područja mogu se bolje razjasniti novim zapisima, bez potrebe da istraživači fizički dođu do njih.
