ساختار کره زمین از بخشهای مختلفی تشکیل شده است. به طور کلی میتوان زمین را از خارج به داخل به سه بخش پوسته، گوشته و هسته تقسیم کرد. به طور کلی، هرچه به مرکز زمین نزدیکتر شویم، میزان فشار و دما افزایش مییابد. علاوه بر این قسمتهای مختلف درون زمین دارای خصویات فیزیکی و شیمیایی متفاوتی هستند. در ادامه به معرفی مختصر هریک از بخشهای تشکیل دهندهی ساختار درونی زمین و تاریخچه تکامل علم بشر در این باره خواهیم پرداخت.
پوسته زمین
پوسته، نخستین و سطحیترین لایهی تشکیل دهندهی کره زمین است. تعیین ضخامت پوسته زمین نخستین بار در سال ۱۹۰۶ انجام شد. دانشمند کروات، آندریا موهوروویچیچ (Andrija Mohorovičić) اولین بار یک افزایش ناگهانی در سرعت موج در پایین سنگهای کم عمق را در زیر اروپا تشخیص داد. این مرز امروزه موهو نامیده میشود. مرز موهو، پوسته را از گوشته جدا میکند و در حقیقت یک مرز گسترده با خصوصیات متغیر است. پژوهشگران پذیرفتهاند که پوسته و گوشته از نظر شیمیایی متمایز هستند، اما تغییرات سرعت موجهای لرزهای میتواند نتیجه تغییر فاز کانیها و فابریکهای سنگ شناسی نیز باشد.
به طور کلی ضخامت پوسته از ۲۵ تا ۷۰ کیلومتر در زیر قارهها، تا ۴ الی ۱۵ کیلومتر در زیر اقیانوسها متغیر است. در برخی از نواحی پوسته قارهای (عموماً مناطق برخوردی)، ناپیوستگی میان پوستهای کنراد قابل تشخیص است. ناپیوستگی کنراد به احتمال زیاد، نتیجۀ کوتاه شدگی و افزایش گرادیان زمین گرمایی و در نتیجه ذوب درون لیتوسفری و صعود گرانودیوریت و باقی ماندن آنورتوزیت میباشد.
در حالت معمول، به ازای هر یک کیلومتر افزایش عمق، فشار و دما به ترتیب حدود ۳۰ مگاپاسکال و ۲۵ درجه سانتیگراد افزایش مییابند. ولی این میزان افزایش در مرز موهو کمتر است، زیرا عناصر رادیواکتیو و گرمازا، اکسیفیل بوده و در پوسته تمرکز بیشتری دارند.
مطالعات نوین بر روی ساختار موهو، نشان دهندهی یک وضعیت لایه لایه در آن است که با تفسیر آن به عنوان یک مرز شیمیایی منفرد منافات دارد. به همین دلیل، بایستی یک لایهبندی شیمیایی به همراه انتقال فاز و ذوبِ بخشی، در تفسیر الگوهای لرزهشناختی با قدرت تفکیکپذیری بالا در نظر گرفته شود.
گوشته زمین
گوشته یا جبّه، دومین لایه تشکیل دهندهی زمین است که بین پوسته و هسته قرار دارد. بررسیهای انجام شده بر روی گوشته زمین عمدتاً کارهای لرزهشناختی است. مطالعات دقیق لرزه شناسی، منجر به کشف سه ناپیوستگی در گوشته در اعماق ۴۱۰، ۵۲۰ و ۶۶۰ کیلومتری شده است. ناپوستگی موجود در عمق ۶۶۰ کیلومتری از سطح زمین، که به آن منطقه انتقالی کفته میشود، بخشی است که دچار انتقال فاز کانی شناختی شده و در زیر منطقه کم سرعت (Low Velocity Zone) قرار دارد.
منطقه کم سرعت که زمین ساخت ورقهای را موجب میشود، خود در زیر منطقهای با سرعت بالای موج P قرار دارد (۸ الی ۸٫۵ کیلومتر بر ساعت). این بخش، بالاترین بخش گوشته است و عمق آن از ۶۰ تا ۲۰۰ کیلومتر تشخیص داده شده است. تصور بر این است که این بخش نشان دهندۀ انتقال رفتار از لیتوسفر با گرانروی بالا به استنوسفر با گرانروی پایین است. ضخامت بخش یاد شده، به محیط تکتونیکی وابسته است و در بخشهای غیرفعال، ضخیم میباشد. ضخامت این بخش در زیر پوسته اقیانوسیِ تازه تشکیل شده به صفر میرسد و در نتیجه پوسته اقیانوسی جوان، مستقیماً بر روی منطقه کم سرعت گوشته قرار دارد.
منطقه کم سرعت نخستین بار توسط ژئوفیزیکدانی به نام گوتنبرگ در سال ۱۹۵۹ پیشنهاد شد. این منطقه در زیر پشتههای میان اقیانوسی نیز بسیار کم عمق است. اما در زیر نواحی قارهای قدیمی، ژرفای آن از ۲۰۰ کیلومتر تا ۳۰۰ کیلومتر متغیر است.
گوشتهی بالایی که شامل بخش زیر موهو، منطقه کم سرعت و منطقه انتقالی است تا عمق ۷۱۰ کیلومتری تداوم دارد و سپس بر روی گوشتۀ پایینی قرار میگیرد. گوشتۀ پایینی نیز تا عمق ۲۸۹۰ کیلومتری ادامه مییابد و به ناپیوستگی گوتنبرگ ختم میشود. به احتمال زیاد، گوشته پایینی از نظر کانی شناسی همگن است و ساختار کانیها اساساً پروفسکیتی است. با این وجود، ۲۰۰ الی ۳۰۰ کیلومتر قاعدهی آن با کاهش سرعت امواج لرزهای همراه است. آزمایشات تجربی نشان دادهاند که در این لایه، آهن مایع هسته خارجی با سیلیکاتهای گوشته واکنش نشان داده و آلیاژهای فلزی و سیلیکاتهای غیرفلزی را از پروفسکیت به وجود میآورد.
هسته زمین
هسته، درونیترین بخش کره زمین است که خود از دو بخش هسته خارجی (مایع) و هسته داخلی (جامد) تشکیل شده است. هسته زمین نخستین بار در سال ۱۹۰۶ کشف شد. اولدهام در مقالهای تحت عنوان «ترکیب درون زمین، آنچنان که زمینلرزهها نشان میدهند»، نتیجۀ پژوهشهای خود بر روی زمینلرزهها را منتشر کرد. وی بهترین توجیه برای اختلاف زمان عبور موج P و S از یک سمت زمین به سمت دیگر را وجود یک هستهی مرکزی برای زمین میدانست (عدم دریافت موج S از ۱۱۰ درجه به بعد).
چند سال بعد، یعنی در سال ۱۹۱۲ میلادی، گوتنبرگ عمق آغاز هسته را ۲۹۰۰ کیلومتر برآورد کرد. این عدد به مقداری که امروزه به دست آمده، بسیار نزدیک است. جفریز نیز در سال ۱۹۲۶ فقدان امواج S عبور کننده از هسته را مستلزم مایع بودن آن دانست. هسته، بیش از نصف شعاع زمین را در برمیگیرد و حاوی ۳۰ درصد جرم آن است.
تفکیک زمین به سه بخش پوسته، گوشته و هسته تا آن زمان به خوبی آشکار شده بود. اما مسئلۀ بعدی هنگامی آغاز شد که در زمان تفسیر لرزه نگاشت های زمینلرزههای خیلی دور، امواجی یافت شد که قابل توجیه نبودند. در این زمان لمن، تنها زلزله شناس رصدخانه کپنهاگ، در قالب یک مقاله وجود هسته درونی با سرعت عبور موج لرزهای بیشتر از هسته بیرونی را مطرح ساخت.
بررسیهای لرزهشناسی امروزی نشان دادهاند که عدد اتمی هسته خارجی بیش از ۲۳ است. بنابراین از میان عناصر Fe، Ni، Co و V تنها دو عنصر آهن و نیکل به عنوان شاخص معرفی شدند. ولی اگر ترکیب هسته تنها از این دو عنصر باشد، وزن مخصوص هسته بیشتر از مقدار برآورد شدهی آن خواهد شد. لذا عناصر سبکتری همچون اکسیژن (به صورت FeO) و پتاسیم نیز به عنوان عناصر همراه مطرح شدند.
