przyr-dynamiczna ziemia 01

Dynamiczna Ziemia

Wędrówka kontynentów

Dawne mapy obu Ameryk wykazują zdumiewającą zbieżność pomiędzy linią brzegową Nowego i Starego Świata.

Czy jest zatem możliwe, by odległe od siebie kontynenty stanowiły kiedyś jedną całość?

Wpołowie dziewiętnastego wieku naukowcy odkryli skamieniałości podobnej natury na oddalonych od siebie krańcach Ziemi. Na początku naszego stulecia amerykański geolog Frank B. Taylor postawią tezę , że kontynenty stopniowo oddaliły się od siebie. Według niego przesuwanie się lądów mogło wytworzyć ciśnienie powodujące wypiętrzanie się olbrzymich łańcuchów górskich.

Teoria Wegenera

Problemem tym zajmował się również niemiecki meteorolog, geofizyk i astronom — Alfred Wegener. Wegener badał przede wszystkim zmiany klimatu ziemskiego na przestrzeni dziejów. Próbował też odkryć tajemnicę ukrytą w skamielinach nad którymi pracował, na przykład w jaki sposób skamieniałe rośliny tropikalne znalazły się w skałach ukrytych pod śniegami Grenlandii. Z drugiej strony istniały dowody, iż skały południowej Afryki oraz Ameryki pokrywał niegdyś lód.

Wegener opublikował swe odkrycia w książce Pochodzenie kontynentów i oceanów (Die Enstebung der Kontinente und Ozeane, 1915). Według niego obecność skamieniałych roślin tropikalnych na Grenlandii świadczy o tym, iż znajdowała się ona kiedyś w okolicach równika. W tym samym czasie duże części Afryki i Ameryki Południowej pokryte były lodem, czyli musiały być zgrupowane blisko Bieguna Południowego. Innymi słowy, kontynenty zmieniły swoje położenie.

Jednak teorią wędrówki kontynentów (dryftu kontynentalnego) nauka zajęła się na serio dopiero w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych naszego stulecia. Dowodów wciąż przybywało, powstała też nowa teoria — teoria wielkich płyt litosfery - według której kontynenty przemieszczają się z prędkością od jednego do 10 centymetrów rocznie na olbrzymich platformach, które są częścią skorupy ziemskiej. Przyjęcie teorii ruchu kontynentów zapoczątkowało nową erę w badaniach nad naszą planetą.

Kontynentalna układanka

Pierwszym impulsem do badań nad wędrówką kontynentów było podobieństwo ukształtowania linii brzegowej obu Ameryk oraz Europy i Afryki.

Jednak linia brzegowa nie odzwierciedla rzeczywistego kształtu kontynentu, który otoczony jest szelfem, czyli płytkim obszarem należącym jeszcze do lądu. Prawdziwym brzegiem każdego kontynentu jest miejsce, w którym ląd stromo schodzi do oceanicznej głębi. Po zbadaniu i komputerowym odtworzeniu kształtu kontynentów na głębokości około 1000 metrów, okazało się, że pasują one do siebie jeszcze lepiej, niż widoczne na powierzchni ziemi ich linie brzegowe.

Badania struktury skał oraz znalezionych w nich skamieniałości dostarczyły kolejnych dowodów. Wegener był świadom natury wielkich zlodowaceń, które miały miejsce w przeszłości. Gdy klimat na Ziemi ochładza się, wielkie obszary lądu pokryte są lodem, tak jak obecnie Grenlandia czy Antarktyda. Lód rozprzestrzenia się pod wpływem grawitacji a głazy uwięzione pod jego powierzchnią żłobią i szlifują podłoże oraz osadzają materiał skalny — morenę. Skamieniałe moreny tworzą skały, tzw. tillity.

Alfred Wegener i południowoafrykański geolog, Du Toit, odnaleźli wiele żlebów oraz tillitów w skałach z okresu karbońskiego i wczesnego permu na południowych krańcach Afryki, Południowej Ameryki oraz w Australii, w Indiach i na Antarktydzie. Oznacza to, że obszary te około trzysta milionów lat temu musiały być pokryte lodem. Zgromadzone dowody wskazały również na to, że w okresie tym wymienione kontynenty stanowiły jedną całość.

Struktura skał

Nowych dowodów dostarczyły badania skał. Na przykład skały z rejonu Sahary w północnej Afryce mają około 2 miliardów lat. Tuż obok nich można odnaleźć skały zaledwie sprzed 550 milionów. Granica pomiędzy nimi jest bardzo widoczna - dochodzi do Atlantyku w rejonie stolicy Ghany - Akry. Ponownie pojawia się na Ziemi dokładnie tam, gdzie przewidywali naukowcy, czyli w Sao Luis w Brazylii. Zwolennicy teorii wędrówki kontynentów triumfowali.

Podobieństwo w budowie odpowiednich grup skalnych ma duże znaczenie dla poszukiwaczy zasobów naturalnych. Jeżeli, na przykład, w szelfie kontynentalnym w pobliżu wybrzeży centralnej Afryki znajduje się ropa naftowa, jest bardzo prawdopodobne, że podobne złoża znajdą się w odpowiednim miejscu niedaleko Ameryki Południowej.

Dalszych dowodów dostarczyły wyniki badań paleomagnetycznych (magnetyzmu czasów prehistorycznych). Gdy tworzy się skała, żelazo w niej zawarte zostaje namagnesowane. W procesie twardnienia kruszcu cząsteczki żelaza ustawiają się w kierunku linii sił pola magnetycznego. W ten sposób wskazują jego położenie w momencie powstawania danej skały. Cząsteczki zostają „zamrożone" i ich położenie pozostaje takie same, niezależnie od tego, jak zmienia się pole magnetyczne Ziemi. Oznacza to, że namagnesowane cząsteczki wskazują dokładne położenie skały w momencie jej tworzenia.

Dowody z dna morza

Przy użyciu metody badań radioaktywności pierwiastków, naukowcy ustalili, że wiek skał wydobytych z dna oceanu nie przekracza dwieście milionów lat, podczas gdy na Ziemi niektóre z nich mają nawet 3 800 milionów lat. Okazało się zatem, że oceany są młodsze niż lądy.

Elektroniczne badania pozwoliły naukowcom na odtworzenie ukształtowania dna morskiego. Jedną z jego cech charakterystycznych są długie łańcuchy górskie, tzw. grzbiety oceaniczne, o dużej aktywności sejsmicznej (trzęsienia ziemi i wybuchy wulkanów). Grzbiety oceaniczne są również najmłodsze ze wszystkich skał oceanicznych. Geolodzy doszli do przekonania, że grzbiety oceaniczne powstają w wyniku oddalania się od siebie platform tektonicznych, a także odkryli, że skorupa ziemska leżąca pod dnem oceanu jest coraz starsza w miarę oddalania się od grzbietów.

Cztery kontynenty

Obecnie nie ma wątpliwości, że oblicze Ziemi nieustannie się zmienia. Gdyby przybysz z obcej planety odwiedził Ziemię 420 milionów lat temu, jego oczom ukazałyby się tylko cztery kontynenty. Jeden z nich to część obecnej Ameryki Północnej, drugi —

część Europy. Trzeci, zwany Angarą, to fragment dzisiejszej Azji, a czwarty składał się z wszystkich kontynentów półkuli południowej, połączonych w jedną całość. Naukowcy nazywają ten ląd Gondwana.

W wyniku przemieszczania się doszło do zderzenia wielkich płyt Ameryki Północnej i Europy. Na skutek kolizji na granicy obu kontynentów wypiętrzył się olbrzymi łańcuch górski. Jego fragmenty można dziś odnaleźć w północnych Apallachach w Ameryce, w górach wschodniej Grenlandii, zachodniej Irlandii i Szkocji, w Norwegii oraz w Szwecji. Nowo powstały ląd naukowcy ochrzcili Euroameryką.

Pangea

275 milionów lat temu Euroameryka zderzy] się z Angarą. Pod wpływem uderzenia w) piętrzył się olbrzymi łańcuch górski — Ura W momencie połączenia powstał gigantyczny składający się z trzech płyt, ląd, tzw. Laurazj; oddzielony od Gondwany Oceanem Tetych Wkrótce jednak obie masy lądu połączyły si w jeden potężny prakontynent, zwany Pange< W ciągu ostatnich 180 milionów lat po ro2 padzie Pangei, płyty kontynentalne przeniósł kontynenty tam gdzie znajdują się dziś, dają przestrzeń nowym oceanom. Wielkie płyt bezustannie się przemieszczają, a naukowe nie przestają spekulować nad przyszłością na szej planety. Dzisiejsza mapa świata obrazuj niewątpliwie tylko ułamek sekundy na zegarze dziejów Ziemi.

Ruchy dna oceanu

Wiele zagadek dotyczących skorupy ziemskiej zostało rozwiązanych w latach sześćdziesiątych naszego stulecia. Jednak najważniejszych odkryć dokonano na dnie oceanu, a nie - jak można by się spodziewać - na lądzie.

Obecnie wiemy już w jaki sposób powstają wulkany i co powoduje trzęsienia ziemi. Potrafimy wyjaśnić, dlaczego występują one w pewnych tylko rejonach świata, podczas gdy w innych mieszkańcy mogą spać spokojnie. Nikogo już nie dziwi, że Alaska, skalisty półwysep pokryty lodem i śniegiem, jest bogatym źródłem ropy naftowej, powstałej ze szczątków drobnych istot i roślin żyjących w środowisku morskim. Nie jest też zagadką, dlaczego uformowany ze szczątków roślin tropikalnych węgiel kamienny, występuje przede wszystkim na terenie północnej Europy.

Większość odpowiedzi na te pytania dała teoria o wędrówce kontynentów, czyli teoria ruchu wielkich płyt litosfery, przedstawiona przez niemieckiego meteorologa Alfreda Wegenera już w 1915 roku. Jednak musiało upłynąć jeszcze wiele lat, zanim jego koncepcja została przyjęta.

Dno oceanów

Dopiero w latach sześćdziesiątych zgromadzono odpowiednie dowody wskazujące na wiarygodność myśli Wegenera. Wtedy też ostatecznie sformułowano teorię ruchu wielkich płyt litosfery zaakceptowaną przez środowisko naukowe. Dowodów dostarczyły badania dna morskiego, a nie jak się spodziewano, poszukiwania prowadzone na powierzchni kontynentów.

Wierzchnia część Ziemi nosi nazwę litosfery. Jest to twarda skorupa o grubości około 100 km. Składa się na nią skorupa dna oceanicznego, powłoka płyt (platform) kontynentalnych oraz graniczącej z nimi bezpośrednio części tzw. płaszcza, czyli zewnętrznej warstwy wnętrza Ziemi. Granica pomiędzy skorupą ziemską a płaszczem nosi nazwę nieciągłości Mohorowićicia, dla uczczenia jej odkrywcy - jugosłowiańskiego geologa, który żył w latach 1857 - 1936.

Skorupa ziemska na dnie oceanów nie tylko jest znacznie cieńsza od warstwy pokrywającej lądy, lecz także o wiele od niej młodsza, ponieważ powstała w ciągu ostatnich 200 milionów lat. Stanowi to jedynie chwilę w życiu naszej planety, której wiek określa się na około 4,6 miliarda lat. Na lądzie można więc odnaleźć skały nawet kilkanaście razy starsze niż te z dna oceanów.

Twarda skała

Warstwy osadowe zalegające na dnie morskim są stosunkowo cienkie. Tuż pod nimi znajdują się wiele gęstsze warstwy ciemnych skał, sięgające aż do strefy jeszcze gęstszych skał płaszcza we wnętrzu Ziemi.

Owa warstwa, na której bezpośrednio zalegają morskie osady, to tak zwana sima, czyli skała bogata przede wszystkim w dwa pierwiastki - krzem oraz magnez. Zewnętrzna warstwa skorupy ziemskiej na lądzie nazywa się sial i składa się przede wszystkim z lżejszych pierwiastków - krzemu aluminium. Kontynentalny sial zalega na twardych skałach simy.

Generalnie dno morskie jest płaskie, jednak jego cechą charakterystyczną są gigantyczne grzbiety i rowy oceaniczne. Podstawowe grzbiety na dnie oceanów tworzą łańcuch górski o długości 80 tysięcy kilometrów ze szczytami niejednokrotnie sięgającymi grubo ponad 4 tys. metrów.

Jako pierwszy został zbadany Grzbiet Śród-atlantycki, który biegnie z północy, z okolic Islandii, na południe, aż do małej wulkanicznej wysepki o nazwie Tristan da Cunha. Następnie okrąża przylądek Dobrej Nadziei, aby połączyć się z innymi grzbietami na obszarze Oceanu Indyjskiego oraz Pacyfiku. Podobnie jak innym częściom tego systemu, Grzbietowi Śródatlantyc-kiemu towarzyszą aktywne wulkany. W typowy sposób przedzielony jest doliną ryftową, mającą 50 km szerokości i 2 km głębokości.

Czasami grzbiety oceaniczne wypiętrzają się ponad powierzchnię wód oceanów tworząc wyspy, z których największą jest wymieniona już Islandia. Z dala od grzbietów oceanicznych powstały także samotne stożki wulkaniczne, tak zwane góry podmorskie. I one wznosząc się czasem ponad powierzchnię wody mogą tworzyć wyspy, wśród których wspomnieć można słynące z piękna Hawaje.

Grzbiety oceaniczne zostały odkryte w latach pięćdziesiątych naszego stulecia przez naukowców z nowojorskiego uniwersytetu Columbia. Przy okazji zbadali oni grubość skorupy ziemskiej na dnie oceanu i dowiedzieli się, że wynosi ona jedynie 6-7 km, podczas gdy wiadomo było, że powłoka kontynentów dochodzi nawet do 40 km grubości. Było to pierwsze odkrycie wskazujące na to, że skorupa na dnie oceanu musi być młodsza od skorupy kontynentalnej.

Nowa teoria

W roku 1960 profesor Harry Hess z uniwersytetu Princeton w Stanach Zjednoczonych, opierając się na opisanych badaniach, sformułował nową teorię. Według niego dno morskie bezustannie się przemieszcza w kierunku przeciwnym do grzbietów oceanicznych, które wciąż dostarczają im nowej materii. Profesor obliczył, że jeśli obecne dno morskie ma 200 min lat, to tworzy się ono z prędkością około kilku centymetrów rocznie.

W takim przypadku jednak Ziemia musiałaby „puchnąć" ze stosunkowo dużą prędkością, a to należało wykluczyć. Jedynym rozwiązaniem tajemniczej zagadki były z pewnością niezbadane zjawiska zachodzące na dnie oceanów. Hess doszedł do wniosku, że skorupa dna morskiego musi ulegać zniszczeniu w takim samym tempie, jak tworzy się nowa. Pozostało jednak pytanie: gdzie i w jaki sposób to się odbywa?

Już niedługo i ta zagadka została rozwiązana. Wzdłuż płyt kontynentalnych rozpościerają się potężne rowy oceaniczne, do których należą na przykład ciągnące się na dnie Pacyfiku: rów wzdłuż zachodnich wybrzeży Ameryki Południowej oraz, najgłębszy ze wszystkich, Rów Mariański (11033 m). znajdujący się niedaleko archipelagu Mariany, na południowy wschód od kontynentu azjatyckiego. Według Hessa, w głąb tych właśnie rowów skorupa dna morskiego zapada się do wnętrza Ziemi.

Hess sugerował, że ruch powłoki dna morskiego powodowany jest przez prądy konwekcyjne pod powierzchnią Ziemi. Prąd konwekcyjny to ruch płynnej substancji pod wpływem przepływu ciepła kierowanego w górę ku powierzchni. Ruch taki można zaobserwować w kuchni podczas gotowania gęstego budyniu lub owsianki. Teorię profesora Hessa potwierdza fakt. że przepływ ciepła z wnętrza Ziemi ku powierzchni jest bardzo intensywny w okolicach grzbietów oceanicznych i widocznie spada w miarę przesuwania się w kierunku rowów, gdzie zanika.

Więcej dowodów dostarczyła sama planeta. Wiadomo było, że Ziemia jest gigantycznym magnesem, a wytwarzane przez nią pole magnetyczne powoduje, że strzałka kompasu niezawodnie wskazuje północ. Dlatego świeżo powstała z lawy wulkanicznej skała, zostaje namagnesowana zgodnie z ziemskim polem magnetycznym.

Magnetyczne „drogowskazy"

We wczesnych latach 60. naukowcy dokonali zdumiewającego odkrycia. Statki badawcze wlokły po

dnie oceanów przyrządy do mierzenia magnetyzmu Ziemi, co pozwoliło zaobserwować istnienie naprzemiennych stref wysokiego i niskiego namagnesowania. Na jednym ze statków prowadzących badania na Oceanie Indyjskim, pracował badacz z uniwersytetu w Cambridge w Wielkiej Brytanii - Drummond Matthews.

Prowadząc zajęcia na uczelni przedstawił wyniki swoich poszukiwań grupie studentów, wśród których znajdował się Fred Vine. Student ten uświadomił sobie, iż obecność pasów zmiennego namagnesowania dna oceanicznego jest istotnym ogniwem w teorii ekspansji dna oceanu Harry Hessa. We wrześniu 1963 roku Drummond i Hess ogłosili publicznie, że naprzemienne pasy silnego oraz słabego namagnesowania mogły powstać jedynie w przypadku jeśli bieguny magnetyczne Ziemi zmieniały swe położenie w długiej historii naszej planety. Wyjaśniając zastosowanie swej hipotezy do teorii Hessa napisali: „Jeżeli skorupa dna oceanicznego rzeczywiście się przemieszcza, to od grzbietów oceanicznych odsuwają się zmiennie namagnesowane, równoległe do nich bloki skalne."

Prędkość ekspansji

W owych czasach jedynie niewielka grupa naukowców zgadzała się z hipotezą o zmienności położenia bieguna magnetycznego Ziemi. Tuż po opublikowaniu teorii yine^ i Matthews'a, grupa naukowców pod przewodnictwem Amerykanina Alana Coxa znalazła ślady zmiennego namagnesowania w skałach całego świata i odkryła, że skały powstałe w tym samym okresie cechuje taka sama polaryzacja magnetyczna.

Badając wiek skał pobranych z oceanu, naukowcy obliczyli, że dno morskie rozsuwa się w dwie strony od grzbietu oceanicznego z prędkością około 2 cm rocznie, co oznacza, że Atlantyk rośnie każdego roku o 4 cm. Zatem od czasów, w których żył Jezus Chrystus, przybyło około 80 m oceanu.

Inne oceany powiększają się w szybszym tempie, na przykład Pacyfik rośnie o 6 cm rocznie, jednak jego gigantyczne rowy wchłaniają „nadwyżkę" skał z powrotem do wnętrza Ziemi.

Podobnie jak Atlantyk, także Morze Czerwone (najmłodsze morze naszej planety) ma swój grzbiet oceaniczny i jego dno rozsuwa się o 2 cm każdego roku, odsuwając Półwysep Arabski od Afryki. Morze Czerwone jest częścią potężnego uskoku tektonicznego litosfery, tak zwanego Rowu Środkowoafrykańskiego, który rozciąga się aż do depresji Morza Martwego. Geolodzy uważają, że w przyszłości cały ten rów może stać się jednym oceanem.

Ruch wielkich płyt litosfery

Dziś już powszechnie wiadomo, ze skorupa kontynentów oraz dna morskiego leży na wielkich platformach tektonicznych, które przemieszczają się względem siebie na powierzchni Ziemi. Proces taki nazwano ruchem wielkich płyt, lub inaczej platform tektonicznych. Tektonika zajmuje się badaniem podstawowych cech strukturalnych skorupy ziemskiej.

Platformy tektoniczne to bloki skalne zbudowane z twardych skał skorupy ziemskiej oraz stałej części płaszcza Ziemi, czyli, jak zostało wyżej opisane, składa się na nie to, co nazywamy litosferą. Pod twardą, stałą warstwą płaszcza znajduje się tak zwana astenosfera, zbudowana z materiałów bardziej plastycznych oraz ze stopionych twardych warstw płaszcza. Astenosfera znajduje się od 100 do 200 km pod powierzchnią Ziemi.

Naukowcy wyróżniają 15 platform głównych oraz dużą liczbę mniejszych. Granice płyt tektonicznych przebiegają wzdłuż grzbietów oceanicznych, które są źródłem ich ruchu oraz miejscem ich spotkania. Platformy przesuwają się w kierunku przeciwnym do grzbietu, a poszczególne jego części stopniowo się od niego oddalają.

Rowy oceaniczne, natomiast, to miejsce kolizji płyt tektonicznych - tutaj jedna z nich zostaje wchłonięta z powrotem do wnętrza Ziemi. Obszar taki nosi nazwę strefy rowu oceanicznego.

Na styku płyt tektonicznych

Granice płyt tektonicznych mogą tworzyć trojakie formacje. Dwie z nich, aktywne grzbiety oceaniczne oraz strefy rowów oceanicznych, zostały już omówione. Trzecia, to tak zwane uskoki przekształcające, gdzie materiał skalny nie jest ani nabudowywany ani wchłaniany.

Uskoki przekształcające to pęknięcia prostopadłe do krawędzi płyty tektonicznej. Grzbiety oceaniczne nie są nieprzerwanym łańcuchem wzniesień. Przeciwnie, w swym biegu, niektóre ich fragmenty są wyraźnie przesunięte w jedną lub drugą stronę, co jest wynikiem przemieszczania się poszczególnych platform.

Granice pomiędzy platformami nie zawsze są równoległe do granicy pomiędzy skorupą dna oceanu a skorupą kontynentu. Niektóre z nich składają się z obu rodzajów powłoki, niektóre z kolei spotykają się pod pewnym kątem, a jeszcze inne w miejscu styku przesuwają się względem siebie. Doskonałym przykładem takiego przesunięcia jest uskok św. Andrzeja, rozciągający się na zachodnim wybrzeżu USA.

Tam i z powrotem

Kiedy Vine i Matthews udowodnili teorię ekspansji dna oceanu, uważano powszechnie, że siłą sprawczą poruszającą płyty tektoniczne była wydobywająca się nieustannie z grzbietów oceanicznych nowa materia.

Następnie wykazano, że platformy nie są popychane przez narastające masy skalne, lecz wciągane do wnętrza Ziemi w strefach rowów oceanicznych, gdzie zostają, jak surowiec wtórny, ponownie odzyskiwane. Innymi słowy, litosfera nie jest wypychana na powierzchnię, lecz raczej wsysana do środka.

Trzęsienia ziemi oraz zjawiska wulkaniczne występują przede wszystkim na granicy styku dwóch platform. Na przykład na granicy dwóch płyt tektonicznych w strefie rowu oceanicznego u zachodnich wybrzeży Ameryki Południowej wypiętrzyły się Andy, góry, w skład których wchodzi wiele wulkanów.

Jednym z najbardziej niebezpiecznych obszarów na Ziemi jest obecnie uskok św. Andrzeja. Dwie przesuwające się względem siebie platformy, trąc o siebie wzajemnie, wytwarzają olbrzymie napięcia. Majestatyczny spokój jaki obecnie panuje na tych terenach to tylko cisza przed burzą. W momencie, gdy tarcie stanie się zbyt mocne, potężne trzęsienie ziemi z pewnością znowu odmieni ukształtowanie naszej planety.

Trzęsienia Ziemi

Nagłe i potężne ruchy zmieniające oblicze powierzchni planety są dziełem trzęsień ziemi - jednego z najgroźniejszych zjawisk naturalnych. Gdy nawiedzają

wielkie miasta, ich skutki są szczególnie dramatyczne.

Ogodzinie 5:46, 17 stycznia 1995 r. trzęsienie ziemi nawiedziło japońskie miasto Kobe. Domy legły w gruzach, drogi i mosty rozpadły się jakby zrobione były z dykty, szyny kolejowe powyginały się. Przewracające się budowle zniszczyły linie elektryczne, uszkodzeniu uległy przewody gazowe - wszystko to utrudniało ekipom ratowniczym dotarcie do ofiar katastrofy. Zginęło ponad 5300 osób, wiele zostało przysypanych przez gruzy, inni ponieśli śmierć w pożarach wywołanych przez trzęsienie.

Niezależnie od ofiar w ludziach, rachunek, jaki przyszło zapłacić za naprawę zniszczeń i ponowne postawienie miasta „na nogi" wyniósł ponad 100 miliardów dolarów. Specjaliści przewidywali wystąpienie silnego trzęsienia ziemi w Japonii, ale pomylili się co do jego lokalizacji. Spodziewali się go raczej w stolicy kraju, Tokio!

Potęga sił przyrody

Trzęsienie ziemi należ) do najbardziej niszczących zjawisk naturalnych na Ziemi. Jego siła może 10000 razy przewyższyć siłę bomby atomowej, zrzuconej na Hiroszimę w 1945 r.

Wstrząsy sprawiają, że grunt zachowuje się jak pokład statku na morzu. W zależności od siły trzęsienia ziemi, podłoże może łagodnie falować lub gwałtownie unosić się w górę i w dół. Niekiedy fale sejsmiczne mogą powodować poziome przesuwanie się gruntu. Podczas trzęsienia ziemi w San Francisco w 1906 r. obserwowano falowanie gruntu do wysokości 1 m. Gdy ruchy uspokoiły się, okazało się, że skrzydła uskoku San An-dreas, wzdłuż którego nastąpiło trzęsienie, przemieściły się względem siebie ponad 6 metrów.

Trzęsienie ziemi trwa na ogół nie dłużej niż kilka sekund, ale niektóre trwają minutę lub dłużej. Trzęsienie ziemi w San Francisco w 1906 r. trwało, np. 40 sekund, podczas gdy trzęsienie, które nawiedziło Alaskę 24 stycznia 1964 r. wstrząsało ziemią przez ponad 7 minut, z tego przez 3 minuty ze szczególnie niszczącą siłą.

Często głównemu wstrząsowi towarzyszą tzw. wstrząsy potomne, z których każdy kolejny jest słabszy od poprzedniego. Wstrząsy potomne powstają wskutek przemieszczania się mas skalnych, dopasowujących się do stanu nowej równowagi. Mogą one powodować katastrofalne zniszczenia nieobliczalne w skutkach. W 1985 r. zostało zniszczone centrum stolicy Meksyku w następstwie trzęsienia ziemi ocenianego w skali Mercalliego na 11 stopni. Następnie wystąpił wstrząs potomny. Oceniono go na 10 stopni, a obrócił on w ruinę jeszcze większą część miasta. Te dwa wstrząsy spowodowały śmierć około 10000 ludzi i zniszczenie miasta.

Jak powstaje trzęsienie ziemi

Trzęsienie ziemi rodzi się zwykle głęboko pod skorupą ziemską. Zewnętrzną powłokę Ziemi tworzą ruchome płyty. Najgroźniejsze trzęsienia powstają wewnątrz Ziemi wzdłuż krawędzi tych płyt. Ruch płyt nie przebiega spokojnie i stopniowo. Przeciwnie, wzdłuż krawędzi, aż do momentu pęknięcia i przemieszczenia się płyt, gromadzą się silne naprężenia. Rozładowanie następuje w postaci wstrząsów o różnej intensywności.

Skutki trzęsienia ziemi zależą od siły wstrząsów, głębokości, na której powstają, oraz od rodzaju skał na powierzchni ziemi. Grunt może pękać, unosić się i zapadać. W obszarach górzystych mogą powstać lawiny i osuwiska, nawet na łagodnych stokach gliniaste gleby mogą zacząć pełznąć na podobieństwo płynnej lawy. Słabo związane osady mogą wskutek gwałtownych wstrząsów przekształcić się w kurzawkę. Tak było podczas trzęsienia ziemi w Alasce w 1964 r.

Podmorskie trzęsienia ziemi

Gdy ognisko trzęsienia ziemi znajduje się pod dnem morza, powstają ogromne fale, zwane tsunami. Na samym oceanie te fale są słabo zauważalne, chociaż przemieszczają się z prędkością do 790 km/h. Gdy zbliżają się do płaskich wybrzeży ich prędkość maleje, natomiast rośnie ich wysokość. Gdy tsunami dociera do wybrzeża, morze cofa się, po czym wraca w postaci serii ogromnych fal.

Atakując małe zatoki, tsunami spiętrza się do wysokości 20 m, zmiatając wszystko na swojej drodze. Podczas trzęsienia ziemi, które w 1755 r. dotknęło Lizbonę, na miasto runęły fale o wysokości 17 metrów. Kolejne wstrząsy spowodowały osuwiska i pożary. Trzy czwarte miasta legło w gruzach a 60000 ludzi straciło życie.

Chociaż naprawdę katastrofalne trzęsienia ziemi zdarzają się rzadko, Ziemia drży nieustannie. Specjaliści od trzęsień ziemi, zwani sejsmologami, rejestrują każdego roku 500 000 wstrząsów - w przybliżeniu można by powiedzieć, że trzęsienie ziemi zdarza się co minutę. Przeważająca większość tych wstrząsów pozostałaby nie zauważona, gdyby nie sejsmolodzy i ich niezwykle wrażliwe czujniki - sejsmometry.

W przeszłości, w celu określenia intensywności trzęsienia ziemi - wielkości wyzwalanej energii - sejsmolodzy stosowali skalę Richtera. Została ona tak nazwana od nazwiska amerykańskiego specjalisty Charlesa F. Richtera, który wprowadził ją w 1935 r. Ostatnio sejsmolodzy wolą posługiwać się skalą Mercalliego, która została zaproponowana przez włoskiego sejsmologa, Giuseppe Mercalliego w 1902 r.

Gdy następuje wstrząs, fale sejsmiczne rozchodzą się od epicentrum - punktu na powierzchni ziemi, położonego prostopadle nad ogniskiem trzęsienia. Szybciej biegną fale podłużne P (pri-mae). Rozchodzą się one w ten sam sposób, jak fale dźwiękowe, powodując drgania wzdłuż drogi fali. Nieco później docierają fale poprzeczne S (secundae). Wywołują one drgania skał prostopadłe do drogi fali. Trzeci typ fal nazwany został falami powierzchniowymi. Wywołują one falowanie gruntu i wzmagają zniszczenia powodowane zawsze przez fale S.

Strefa trzęsienia ziemi

Chcąc zrozumieć przyczyny trzęsień ziemi naukowcy zawsze zaczynali od sporządzenia mapy obszaru, gdzie one zachodziły. Przemieszczenia skał wzdłuż uskoków występują w dowolnym miejscu, ale największe trzęsienia ziemi występują w określonych strefach. Trzęsienia ziemi towarzyszą zwłaszcza strefom wulkanicznym, takim jak „ogniowy pierścień'" wokół Pacyfiku.

Gdy metody wykrywania i precyzyjnego lokalizowania trzęsień ziemi zostały udoskonalone, również mapy sejsmiczne stały się dokładniejsze. Uzyskano dzięki temu szczegółowy obraz aktywności sejsmicznej.

Sejsmologia tak naprawdę zaistniała w latach sześćdziesiątych, gdy pojawiła się możliwość wprowadzenia układu o zakazie prób jądrowych. Chcąc odpowiedzieć na pytanie, czy małe jądrowe wybuchy podziemne są możliwe do wykrycia, naukowcy zainstalowali sieć stacji sejsmo-metrycznych i zaczęli „nasłuchiwać" wszelkich drgań, odbieranych przez aparaturę. Uzyskane mapy aktywności sejsmicznej ukazały, że trzęsienia ziemi występują najczęściej wzdłuż grzbietów śródoceanicznych i rowów, wzdłuż uskoków i w otoczeniu młodych gór oraz wulkanów.

Te dane umocniły teorię, zgodnie z którą 100-kilometrowa skorupa ziemska i górna część płaszcza podzielona jest na osiem głównych płyt - kier tektonicznych - które „pływają" po półpłynnej wewnętrznej warstwie Ziemi zwanej astenosferą. Stała aktywność tej strefy planety umożliwia ruch płyt. W zależności od wzajemnego ruchu, te płyty mogą rozsuwać się, zderzać lub też podsuwać jedna pod drugą.

Ruchy płyt

Chociaż proces przebiega stopniowo, ruch płyt rzadko jest stały. Przez długie okresy w ogóle się go nie obserwuje. Siła tarcia utrzymuje płyty w bezruchu. Kiedy naprężenia stają się większe niż wytrzymałość skał, następuje gwałtowne pęknięcie - trzęsienie ziemi - uruchamiające płyty.

Nikt nie potrafi przewidzieć dokładnie, kiedy może nastąpić trzęsienie ziemi. Skrupulatne opracowywanie map i monitoring aktywności sejsmicznej umożliwiają naukowcom określenie stref zagrożenia i częstości występowania wstrząsów sejsmicznych. Kilka wielkich trzęsień ziemi grzecznie zapowiedziało swoje nadejście w postaci serii drobnych wstrząsów, a rosyjscy badacze wykazali, że zmiany prędkości fal P przy niewielkich wstrząsach zwykle poprzedzają główny wstrząs. Subtelne zmiany ukształtowania terenu i lokalne zmiany w rozkładzie ziemskiego pola magnetycznego również są traktowane jako możliwe zwiastuny trzęsień ziemi.

Poszukiwanie sygnałów

Jednym ze wskaźników nadchodzącego trzęsienia ziemi jest obserwacja zachowania zwierząt. Przed trzęsieniem ziemi psy zaczynają wyć, konie rozbiegają się, ptaki niespokojnie krążą wokół. W 1975 r. mieszkańcy jednego z miast chińskich zauważyli kilka sygnałów zbliżającego się trzęsienia, w tym dziwne zachowania zwierząt. Opuścili swoje domy parę godzin przed wstrząsami.

W strefie zagrożonej trzęsieniami naukowcy obserwują też poziom wody w studniach. Bezpośrednio bowiem przed wystąpieniem ruchu podziemnych mas skalnych, dochodzi do uszkodzeń ich struktury krystalicznej, wskutek czego uwalniany jest do wody gaz - radon. Wzrost zawartości radonu w wodach studziennych alarmuje naukowców o możliwym zagrożeniu.

Niekiedy przed wystąpieniem trzęsienia ziemi obserwuje się w powietrzu charakterystyczną poświatę; powodują ją najprawdopodobniej cząsteczki zjonizowanych gazów. Naukowcy odkryli również, że przed trzęsieniem następuje nagły wzrost zawartości wodoru w strefie uskoku, ponad 10-krotny w stosunku do poziomu normalnego. Niestety, tego typu zjawiska nie towarzyszą wszystkim trzęsieniom ziemi. Dlatego też naukowcy opracowali cały zestaw metod umożli

wiających zdecydowanie bardziej precyzyjne przewidywanie wstrząsów.

Jedną z takich metod jest pomiar naprężeń w skałach wzdłuż linii uskoku. Te ogromne pęknięcia skorupy ziemskiej mogą ciągnąć się kilometrami na powierzchni lub w głębi skorupy ziemskiej. Przyrząd do pomiaru nachyleń, przypominający stolarską poziomnicę, określa pionowe ruchy powierzchni ziemi. Inny, w postaci drutów rozpiętych w poprzek uskoku, umożliwia pomiar przemieszczeń poziomych.

Czujnik wstrząsów

Sejsmometry dostarczają najbardziej precyzyjnych danych o przewidywanym trzęsieniu ziemi. Te bardzo czułe instrumenty mogą wykryć nawet najmniejsze drgania skorupy ziemskiej. Sejsmometr przetwarza te drgania na sygnał elektryczny, który z kolei może być zapisany na papierze. Dzięki temu sejsmolodzy mogą śledzić natychmiast każde gwałtowne rozładowanie napięć w skałach skorupy ziemskiej.

Inna z technik monitoringu ruchów powierzchni ziemi polega na wysyłaniu sygnałów poprzez satelitę do innych stacji odbiorczych. Sieć satelitów i stacji naziemnych umożliwia naukowcom ocenę, czy zachodzi zmiana wzajemnego położenia stacji.

Ograniczanie zniszczeń

Chociaż żadna z tych metod nie gwarantuje skutecznej prognozy, ułatwiają one bardzo zrozumienie natury trzęsień ziemi. Naukowcy bowiem poszukują także sposobów zmniejszenia skutków trzęsień. Niektórzy są przekonani, że możliwe jest rozładowanie naprężeń w skałach grożących silnym trzęsieniem ziemi za pomocą serii małych wstrząsów wywołanych sztucznymi wybuchami. Na pewych terenach małe wstrząsy można sprowokować przez wprowadzanie cieczy w strefę uskoków. Wpompowanie płynnych zanieczyszczeń do głębokich otworów koło Denver, Colorado, wywołało drobne wstrząsy na spokojnym dotychczas obszarze. Wynika z tego, że narastające naprężenia wzdłuż uskoków, takich jak na przykład San Andreas w Kalifornii, mogą być rozładowane na drodze serii kontrolowanych, sztucznie wywołanych małych trzęsień ziemi.

Idealnym, najskuteczniejszym sposobem zapobieżenia ofiarom w następstwie trzęsienia ziemi byłaby ewakuacja wszystkich mieszkańców stref sejsmicznych. Nie jest to możliwe, zwłaszcza wobec tak gwałtownie postępującego wzrostu zaludnienia. Wręcz przeciwnie, ocenia się, że w 2035 r. ponad 600 milionów ludzi będzie mieszkało w wielkich miastach, położonych w obrębie strefy sejsmicznej.

Architekci amerykańscy i japońscy usilni' prowadzą badania nad sejsmoodpornymi budynkami. Okazało się bowiem, że odpadanie elementów dekoracyjnych jest głównym sprawcą śmierci ludzi podczas występujących trzęsień ziemi Aby temu zapobiec, budynki muszą być projektowane bez jakichkolwiek ozdób, ą także pozbawione kominów. Domy mieszkalne i biurowa należy wznosić na specjalnych fundamentach które uniemożliwią lub w znacznym stopni ograniczą kołysanie budowli.

Wulkany

Wybuch wulkanu wyrzucającego w powietrze rozgrzaną do czerwoności lawę to widok niezwykle efektowny. Erupcji towarzyszy zwykle wypływ roztopionej lawy lub potężne, przesłaniające słońce chmury pyłu.

Gdy nad hawajskim wulkanem Mauna Loa wykwita fontanna płynnej lawy. na niebie maluje się ognisto-pomarańczowa aureola. Planeta Ziemia ujawnia jedną ze swych najpotężniejszych sił - wulkanizm. Mauna Loa narodził się głęboko pod wodą, ale po milionach lat, w następstwie niezliczonych erupcji urósł tak bardzo, że dziś jego stożek wznosi się wysoko nad powierzchnią oceanu.

Co to jest wulkan?

Wulkan to po prostu otw ór w Ziemi, przez którą ognista mieszanina gazów, pary wodnej, popiołu, bryłek półpłynnej skały, zwanej lawą. wyrzucana jest do atmosfery. Wulkaniczne popioły, opadające po wybuchu, nawarstwiają się i twardnieją, tworząc lekką, szarą skałę. Tak po milionach lat z produktów erupcji powstał) wulkaniczne góry. Są one często wysokie, mają kształt stożka z kraterem na szczycie. Wiele wulkanów znajduje się pod powierzchnią morza.

Niektóre wulkany są bardzo młode. W lutym 1943 r. nowy wulkan narodził się w Meksyku. Pewnego dnia na polu kukurydzy zauważono małą szczelinę. W ciągu 24 godzin zmieniła się ona w szeroką na 25 metrów rozpadlinę, przypominającą kocioł z popiołem i rozpaloną do czerwoności skałą. Wkrótce wylewająca się lawa utworzyła I0-metrowy pagórek. Po dziewięciu latach wulkan, znany dziś pod nazwą Paficutin, osiągnął ostatecznie wysokość 405 metrów.

Podwodne wulkany dają niekiedy początek wyspom. W 1963 r. na przykład eksplodował nagle podwodny wulkan u południowych wybrzeży Islandii. Chmury pary i dymu wypełniły powietrze. Nowa wyspa narodziła się z lawy, która wypłynęła z krateru wulkanu. Nosi nazwę Surt-sey. od Surtr - imienia staronorweskiego boga ognia. Erupcja wygasła po trzech latach, a wyspa osiągnęła powierzchnię 1,9 km2.

Ogień z głębin

Wulkany występują w słabszych miejscach skorupy ziemskiej. Ziemię otacza twarda zewnętrzna powłoka nazwana litosferą. Łączy ona w sobie skorupę i stałą warstwę górnego płaszcza. Litosfera dzieli się na rozległe, sztywne bloki, zwane płytami.

Te płyty znajdują się w nieustannym ruchu, napędzane przez siły drzemiące w głębi Ziemi. W pewnych miejscach ten ruch powoduje powstanie grzbietów, w innych płyty zagłębiając się w głębokie rowy, zsuwają się z powrotem w głąb Ziemi - zjawisko zwane subdukcją. Czasem przesuwające się płyty zderzają się, czasem rozsuwają - widoczne to jest na ich krawędziach. We wszystkich takich miejscach istnieją warunki sprzyjające powstawaniu wulkanów.

Poniżej skorupy ziemskiej znajduje się warstwa zwana płaszczem. W jej obrębie, poniżej litosfery, na głębokości ponad 100 km występuje jeszcze jedna warstwa - astenosfera. Z powodu wysokiej temperatury część występujących tu skał topi się. Ten półpłynny materiał, zawierający także wodę i gazy, zwany magmą, gromadzi się w specjalnych zbiornikach i komorach. Magma jest gorętsza i lżejsza od zewsząd otaczających ją skał, gdy więc jej ciągle przybywa, roztapia większość skał leżących nad nią. Przeciskając się ku powierzchni, magma tworzy kanał, zwany przewodem wulkanicznym. Gazy uwięzione w magmie próbują znaleźć sobie ujście, co powoduje wzrost ciśnienia. Ostatecznie gazy wyciskają magmę poprzez jakieś słabsze miejsce skorupy w postaci lawy.

Plamy gorąca

Niektóre wulkany powstają nad obszarami zwanymi plamami gorąca. Są to miejsca, gdzie wskutek nadwyżki ciepła w głębi płaszcza Ziemi powstają ogromne ilości magmy. Przeciskając się ku powierzchni, magma po prostu przebija otwór w leżącej nad nią płycie, tworząc w ten sposób wulkan. Magma potem oziębia się i opada z powrotem, niekiedy znowu wznosi się.

Plamy gorąca zawsze powstają i utrzymują się w jednym miejscu płaszcza, podczas gdy płyty nieustannie przesuwają się nad nimi. Na skutek tych ciągłych procesów, po upływie milionów lat powstaje nowy wulkan. Wyspy Hawajskie na Pacyfiku, które utworzyły się z łańcucha wulkanów, powstały i nadal powstają w ten właśnie sposób.

Rodzaje lawy

Lawa wydobywająca się z wulkanu osiąga temperaturę 1000°C i może spływać po zboczach z prędkością ponad 165 m/s. Im dalej od krateru tym jej ruch jest wolniejszy, a temperatura niższa. Wyróżnia się dwa rodzaje lawy. których nazwy pochodzą z języka hawajskiego. Lawa zwana ..pahoehoe*' zastyga w postaci gęsto pofałdowanej skorupy, przypominającej grube liny (lawa sznurowa), pod którą nadal trwa ruch. Drugi typ. zwany ..aa"', tworzy nieregularne nagromadzenia bloków o szorstkiej powierzchni (lawa blokowa).

Erupcje nie wszystkich wulkanów mają taki sam przebieg. Decyduje o tym rodzaj gazów i ilość pary wodnej zawartej w magmie. Zdarza się. że kolejne erupcje tego samego wulkanu mają różny przebieg.

Aktywność wulkanów hawajskich (i innych tzw. wulkanów tarczowych) ma bardzo spokojny charakter. Rozpalona lawa wydobywająca się z krateru jest ruchliwa i rzadka. Rozlewa się swobodnie. Gazy uwięzione w magmie mogą niekiedy wysoko wyrzucać fontann) ciekłej lawy. Tak zachowują się na przykład wulkany Mauna Loa i Kilauea, dlatego ten rodzaj erupcji nazwano typem hawajskim.

Erupcję typu Stromboli cechują gwałtowne, ciągle powtarzające się eksplozje, podczas których zostaje wyrzucona zakrzepnięta, rozżarzona do czerwoności lawa w postaci bomb wulkanicznych. Opadają one w postaci gradu niewielkich kamieni u podnóża w ulkanu. Nazwa tego typu erupcji pochodzi od ciągle czynnego wulkanu Stromboli we Włoszech.

Typ Vulcano

Groźniejszy typ erupcji nosi miano pochodzące od nazwy innego włoskiego wulkanu. W przeciwieństwie do deszczu drobnych odłamków skał. które nie opadają zbyt daleko, podczas erupcji typu Vulcano wyrzucane są zestalone bloki lawy na odległość kilku kilometrów. Lawa jest bardziej lepka, co utrudnia ucieczkę gazów. Narastające ciśnienie gazów sprawia, że eksplozje są rzadsze, ale gwałtowniejsze.

Najgroźniejsze wybuchy to erupcje typu Pliniusz (lub Wezuwiusz). Najsłynniejszym takim zdarzeniem w historii był wybuch Wezuwiusza w 79 r.. w południowych Włoszech. Zagładzie uległy wówczas dwa miasta - Pompeje i Hercula-num. Z 20000 mieszkańców Pompei zginęło około \07(. pozostali przy życiu dość długo drążyli w popiołach i pumeksie tunele, by dostać się do zasypanych, ale nie naruszonych domów. Natomiast Herculanum zostało pokryte pyłami

wulkanicznymi, z których utworzył się tuf. Dlatego podczas wykopalisk znajdowano np. sprzęty w takim stanie jak w dniu katastrofy.

Magma wulkaniczna podczas erupcji tego typu jest lepka, co uniemożliwia, jak pisaliśmy wyżej, uwalnianie gazów. Skutek jest katastrofalny. Strumień sprężonych gazów wystrzeliwuje magmę poprzez komin wulkaniczny na podobieństwo pocisku armatniego.

Śmiercionośne pyły

W erupcji typu Pliniusz wyzwolone siły mogą pokonać barierę dźwięku, a słup popiołów, kamieni i gazów może osiągnąć wysokość 30 km. Fragmenty skał, zwane materiałem piroklastycznym, ulegają rozdrobnieniu i w postaci fali śmiercionośnego pyłu opadają na okolicę.

Niekiedy erupcje typu Pliniusza są tak gwałtowne, że wulkan ulega całkowitemu zniszczeniu. W najlepszym przypadku ściany komina wulkanicznego zapadają się tworząc krater lub kalderę. W najgorszym - znika cały stożek, tak jak to się stało z wyspą Krakatau w 1883 r.

Chmury popiołu

Jeśli magma ma bardzo dużą lepkość, a zawarte w niej gazy wywierają niskie ciśnienie, erupcji towarzyszą chmury gorącego popiołu i gazów, które potem opadają błyskawicznie w dół w postaci „rozżarzonej lawiny".

Gorące gazy i popiół pędzą w dół zbocza piroklastyczną falą nazywaną nuće ardente (z francuskiego - gorąca chmura), która niszczy wszystko na swojej drodze. Ten typ erupcji nazwano typem Pelee, od imienia wulkanu na karaibskiej wyspie Martynice, który 8 maja 1902 r. zniszczył miasto St. Pierre, uśmiercając 30 000 ludzi. Jedynym, który przeżył ten straszliwy kataklizm, był mężczyzna odbywający karę w więzieniu. W jego celi znajdowało się jedynie maleńkie okienko

- nuee ardente nie sforsowała go.

Mount St. Helens

Mount St. Helens w stanie Washington, w Stanach Zjednoczonych, wybuchł w bardzo podobny sposób. Ten wulkan nie przejawiał żadnej aktywności przez niemal 123 lata. lecz feralnego dnia 18 maja 1980 r. wszystko się zmieniło. Wybuch był nadzwyczaj widowiskowy. W istocie, erupcja była tak potężna, że spowodowała oderwanie się zbocza góry.

Chmury gazu i popiołu runęły piroklastyczną falą po zboczu wulkanu, paląc i niszcząc wszystko, co napotkały po drodze. Wybuch zniszczył, między innymi, ogromne połacie lasu. Erupcja, trwająca prawie dziewięć godzin, dostarczyła do atmosfery miliony ton popiołu. Potem ulewny deszcz zamienił nagromadzone popioły i pyły w szlam. Chociaż przewidywano wystąpienie erupcji, wielu ludzi zignorowało te ostrzeżenia - śmierć poniosło 57 osób.

Procesy górotwórcze

Niegdyś uważano, ze góry są nie tylko niebezpieczne lecz także tajemnicze. Jednak w ostatnich dwudziestu latach rewolucyjna teoria o ruchu płyt tektonicznych rozwiązała zagadkę kształtowania się powierzchni Ziemi.

Góry tworzą się w wyniku wybuchów wulkanów lub na skutek działania olbrzymiego nacisku bocznego, który wypiętrza oraz przemieszcza płaskie masy skalne. Zjawiska takie można zaobserwować w rejonach aktywnych sejsmicznie czyli na krawędziach płyt tektonicznych tworzących skorupę ziemską.

Góry wulkaniczne

Na krawędziach oddalających się od siebie płyt tektonicznych, w głębinach oceanów powstają góry wulkaniczne. W miarę rozsuwania się płyt, wrząca magma (płynna skała) wydostaje się na powierzchnię skorupy ziemskiej, by po zastygnięciu wypełnić powstającą szczelinę. Magma zastyga na dnie morza w postaci wysokiego stożka, który wypiętrzony ponad powierzchnię wody tworzy wyspę.

W miejscu, gdzie dwie płyty zderzą się ze sobą, krawędź jednej z nich zostaje wepchnięta pod drugą, a na granicy powstaje rów oceaniczny. Warstwa skał, która znajduje się w głębi ziemi topi się i w postaci magmy wydobywa się na powierzchnię, ostatecznie dając początek łańcuchom wysp wulkanicznych takich jak wyspy Pacyfiku — w Japonii. Indonezji czy na Filipinach. Zdarza się. że magma nie tworzy wulkanu tylko wypiętrza się pod powierzchnią ziemi w postaci wzniesienia — tzw. kopuły granitowej. Czarne Wzgórza Dakoty w Stanach Zjednoczonych są dobrym przykładem tego typu granitowych ostańców, które najdłużej opierają się niszczącej sile wietrzenia.

Najdłuższe i najpotężniejsze łańcuchy górskie świata, takie jak Himalaje, Andy, Góry Skaliste czy Alpy to sfałdowane masy skalne, utworzone w wyniku wypiętrzenia zgromadzonych na dnie prehistorycznych oceanów materiałów osadowych. Część skał osadowych powstała na dnie płytkich mórz z gliny, piasku oraz mułu naniesionego przez rzeki. Na większej głębokości, ze szczątków żywych organizmów, uformowały się skały wapienne. Szczątki te przetrwały w postaci skamielin.

Góry fałdowe

Osadzające się przez 100 min lat na dnie morskim materiały utworzyły warstwę grubości dziesiątek kilometrów. Pod wpływem tego gigantycznego ciężaru dno morskie stopniowo osiadło i powstał zbiornik zwany geosynkliną. Początkowo naukowcy byli zdania, że w miarę zapadania się, osadowe warstwy skał sfałdowały się i po wypiętrzeniu utworzyły góry. Obecnie jednak większość specjalistów skłania się ku teorii, iż fałdowanie jest efektem nacisku spowodowanego ruchem płyt tektonicznych.

Płyty przesuwają się jedynie o kilka centymetrów rocznie. Jednak, gdy tak olbrzymie masy lądu zderzą się ze sobą, skały na obrzeżach płyt zarówno na lądzie jak i te osadowe z dna oceanu są wypychane ku górze tworząc łańcuchy górskie.

Towarzyszące ruchom płyt tektonicznych wysokie temperatury i olbrzymie ciśnienie osłabiają i deformują wiele warstw skalnych. Masy skał, elastyczne jak plastik, formują wielkie fałdy. Warstwy odporniejsze na deformację pękają i kruszą się. W trakcie procesów górotwórczych, pod wpływem wysokiej temperatury, tuż pod powierzchnią skorupy ziemskiej tworzy się magma. Stygnąca magma formuje twardy granitowy rdzeń pod miększymi warstwami fałdów.

Stare góry fałdowe, ostatecznie uformowane, jednak nie zniszczone jeszcze przez erozję, są żywym dowodem na kolizje prehistorycznych kontynentów. Na przykład góry północno-wschodniej części Ameryki Północnej, wschodniej Grenlandii, zachodniej Irlandii i Szkocji oraz góry Norwegii i Szwecji powstały w jednym momencie jako efekt zderzenia Ameryki Północnej i Europy i połączenia ich w jeden wielki ląd. Z czasem, około 100 milionów lat temu, ten gigantyczny masyw górski został rozczłonkowany przez tworzący się

Ocean Atlantycki. Fałdy są dobrze widoczne w terenie górzystym na urwiskach i ścianach skalnych. Najprostsze ich formy to synklina (wklęsła część fałdu) i antyklina (wypukła część fałdu). Niektóre fałdy przechylają się formując fałdy obalone. Oderwane od podłoża przeniesione o wiele kilometrów fałdy to płaszczowiny.Pod wpływem przemieszczania się płyt tektonicznych niektóre masy skalne pękają i tworzą długie szczeliny (uskoki). Bloki skalne przesuwają się względem siebie, niektóre wypychane są ponad pozostałe wzdłuż uskoków i dają początek górom zrębowym takim jak np. Sierra Nevada w Kalifornii. Zdarza się również, że skała ograniczona z dwóch stron przez mniej więcej równoległe pęknięcia zostaje wyniesiona w górę i wyraźnie odcina się od otaczającego terenu swymi pionowymi zrębami.

Erozja

Już w momencie powstania, góry zaczynają ulegać niszczącej sile erozji. Destrukcja Ziemi przez czynniki zewnętrzne jest szczególnie widoczna w górach, gdyż zbocza są strome a przyciąganie ziemskie działa z największą siłą.

W rezultacie rozkruszone przez lód skały staczają się do podnóża wzniesienia i tam transportowane są przez lodowce lub rwące strumienie wijące się wzdłuż stromych wąwozów. Ruchy płyt tektonicznych oraz siły natury wciąż kształtują imponującą scenerię gór.

Minerały

Skorupa ziemska jest w przeważającej części zbudowana z minerałów, wśród których występują zarówno cenne kamienie szlachetne, jak i doza pospolitych metali wykorzystywanych w codziennym życiu.

Minerały odegrały dużą rolę w rozwoju ludzkości i przyczyniły się do rozkwitu cywilizacji. W Epoce Kamiennej ludzie ułatwiali sobie życie przy pomocy prostych narzędzi z kamienia. Około 10000 lat temu człowiek wynalazł metodę odzyskiwania miedzi ze złóż mineralnych, a następnie opracował metodę wytwarzania brązu, czyli stopu miedzi i cyny, dając tym samym początek Epoce Brązu.

Z kolei w Epoce Żelaza, która rozpoczęła się około 3000 lat temu, skorupa ziemska stała się dla człowieka prawdziwą kopalnią materiałów potrzebnych do życia. Tak pozostało do dnia dzisiejszego; współczesny przemysł w dużym stopniu opiera się na surowcach naturalnych eksploatowanych ze złóż zalegających tuż pod powierzchnią ziemi. W poszukiwaniu nowych złóż minerałów podstawowe znaczenie ma wiedza o tym, jak są one zbudowane, skąd wzięły się w tym a nie innym miejscu, oraz jak je rozpoznać.

Naukowcy rozróżniają około 3000 minerałów, z czego tylko 100 to minerały pospolite. Definiuje się je jako stałą materię nieorganiczną, choć na przykład rzadko spotykana rtęć w swej naturalnej postaci występuje w stanie ciekłym.

Materia organiczna i nieorganiczna

Powszechnie uważa się, że minerały to wszystko, co wydobywa się w kopalniach, w tym też węgiel. Jednak mineralodzy (naukowcy zajmujący się minerałami) twierdzą, iż węgiel, podobnie jak ropa naftowa oraz gaz ziemny, to substancja organiczna, powstała ze szczątków żywych organizmów - roślin i zwierząt - zatem nie można go nazwać minerałem.

Poszczególne minerały mają swoją własną, konkretnie zdefiniowaną, budowę chemiczną i są zawsze jednorodne, czyli każda cząstka danego minerału jest zbudowana w identyczny sposób, co zasadniczo odróżnia je od skał. Skały przeważnie składają się z wielu różnych minerałów. Te z kolei zbudowane są z pierwiastków czyli elementów, które nie mogą być już rozbite na drobniejsze substancje (w sensie chemicznym).

Ze 107 znanych człowiekowi pierwiastków, tylko dziewięćdziesiąt występuje w przyrodzie. Są to tzw. pierwiastki naturalne. Około 20 pierwiastków występuje w przyrodzie w stanie wolnym (rodzimym). Należą do nich między innymi złoto, srebro oraz odmiana węgla pierwiastkowego - diament. Pozostałe pojawiają się jedynie w związkach chemicznych.

Skorupa ziemska

74% masy skorupy ziemskiej stanowią tylko dwa pierwiastki - tlen oraz krzem. Natomiast na 24,27% składa się glin, żelazo, wapń, sód, potas i magnez. Oznacza to, że prawie 99% skorupy ziemskiej zbudowane jest jedynie z ośmiu pierwiastków. Najczęściej spotykane minerały to krzemiany, czyli związki najbardziej pospolitego tlenu i krzemu, często z dodatkiem któregoś z pozostałych sześciu wspomnianych pierwiastków. Do najczęściej spotykanych krzemianów należą kwarc, mika oraz grupa tzw. skaleni. Związki te występując w różnych proporcjach są podstawowymi elementami wielu odmian granitu. Wymywany z granitu kwarc nierzadko osadza się wzdłuż wybrzeży, gdzie wraz z innymi minerałami zalega na piaszczystych plażach.

Jak rozpoznać minerały

Kwarc, mikę oraz skalenie naukowcy nazwali minerałami skałotwórczymi. Ta cecha odróżnia je od reszty minerałów, które występują w znikomych ilościach. Innym ważnym minerałem skało-twórczym jest, wchodzący w skład wapiennych skał osadowych, kalcyt.

Mając do czynienia z tak dużą liczbą występujących w przyrodzie minerałów, specjaliści zmuszeni byli uporządkować je. Stworzyli więc system klasyfikacji minerałów, oparty na różnicach w ich budowie fizycznej oraz chemicznej. Minerały badano nie tylko według bardzo prostych kryteriów, takich jak kolor czy twardość, lecz także za pomocą skomplikowanych testów w laboratoriach chemicznych.

Minerały o charakterystycznej barwie, na przykład niebieski ażuryt czy zielony malachit, są stosunkowo łatwe do rozpoznania. Jednak kolor może być mylący, gdyż pod wpływem zanieczyszczeń, wysokiej temperatury, światła, promieniowania radioaktywnego czy wietrzenia, może on przybierać różne odcienie.

Rysa oraz twardość

Po zrobieniu na powierzchni minerału rysy, powstaje drobny proszek, którego kolor może różnić się od koloru samego minerału. Na przykład przy rysowaniu czarnego hematytu proszek jest czerwony, natomiast w wypadku podobnego na pierwszy rzut oka magnetytu - czarny. Innym sposobem rozróżniania minerałów jest ich twardość, którą określa się przy pomocy dziesięcio-stopniowej skali twardości Mohsa (nazwa pochodzi od imienia austriackiego mineraloga). 1 stopniem w skali Mohsa określa się minerały twardości talku, natomiast najtwardszy z minerałów - diament - charakteryzuje się twardością równą 10 stopniom.

Ciężar właściwy

Ciężar właściwy minerału to stosunek jego wagi do wagi wody o tej samej objętości. I ta cecha okazała się bardzo użyteczna w rozpoznawaniu poszczególnych minerałów. Zakładając, że ciężar właściwy wody wynosi 1, większość minerałów waha się w przedziale od 2,2 do 3,2. Jednak istnieją zarówno minerały wyjątkowo lekkie jak wyjątkowo ciężkie, na przykład ciężar właściwy grafitu wynosi 1,9, natomiast złota od 15 do 20 w zależności od próby.

Kolejną właściwością minerału jest jego łupliwość, czyli sposób rozdzielania się pod wpływem uderzenia. Wiele można się także dowiedzieć oglądając minerał pod światło. Minerały przezroczyste prawie całkowicie przepuszczają światło; półprzezroczyste tylko częściowo; natomiast nieprzezroczyste w całości je pochłaniają lub odbijają. Właściwości te pozwalają je odróżnić.

Obserwując powierzchnię minerału można określić kolejną jego charakterystyczną cechę -połysk. Galena (ruda ołowiu) ma to do siebie, że lśni jak metal, natomiast większość krzemianów cechuje połysk szklisty, co sprawia, że przypominają one błyszczące szkło. Wśród setek minerałów można spotkać połysk diamentowy, perłowy, jedwabisty oraz ziemisty, czyli matowy. Znacznym utrudnieniem jest jednak to, że próbki jednego minerału często nie są do siebie podobne, na przykład kalcyt może występować w odmianach o różnym połysku, od szklistego do ziemistego.

Niektóre minerały są bardzo specyficzne, co pomaga w ich identyfikacji. Jeżeli po podgrzaniu badany minerał pachnie czosnkiem, należy się spodziewać, że mamy do czynienia ze skorodytem - jednym ze składników arszeniku. Naturalny talk, natomiast, w dotyku przypomina mydło.

Istnieją minerały, które fluoryzują (świecą lub zmieniają kolor) pod wpływem promieni ultrafioletowych lub promieni rentgena. Inne natomiast stają się elektrycznie naładowane pod wpływem ciepła czy wysokiego ciśnienia.

Do rozpoznania pewnych minerałów niezbędne są testy chemiczne. Na przykład niektóre z nich rozpuszczają się tylko pod wpływem gorącego kwasu, inne natomiast wyłącznie w kwasach silnie stężonych.

Kryształy

Minerały mają ściśle określony wzór chemiczny charakterystyczny dla każdego rodzaju. Na przykład halit (sól kamienna) opisuje się wzorem NaCl, co oznacza, że jest kombinacją sodu (Na) oraz chloru (Cl).

Ponieważ każdy minerał ma dokładnie zdefiniowaną budowę, atomy poszczególnych pierwiastków ustawiają się w specyficzne, regularne, trójwymiarowe struktury. Struktury te, zwane kryształami, to ułożone symetrycznie formy geometryczne. Jeśli wylejemy na płaską powierzchnię niewielką ilość morskiej wody i pozwolimy jej wyparować, utworzą się kryształki soli. Przy pomocy szkła powiększającego, łatwo zauważyć, że mają one kształt idealnych sześcianów.

Większość minerałów ma budowę krystaliczną, dlatego badanie kryształów wybitnie pomaga w ich identyfikacji. Istnieje siedem podstawowych układów krystalograficznych. Diament na przykład należy do układu regularnego czyli sześciennego, rubin do heksagonalnego, a turkus dc układu trój skośnego. Każdy układ różni się od pozostałych rodzajem symetrii - właściwością która powoduje, że kręcący się wokół własnej osi kryształ wielokrotnie wygląda identycznie (z danego punktu widzenia), zanim wykona pełny obrót. Kryształ można rozpoznać po ilości i rodzaju osi symetrii.

Kamienie szlachetne

Już w epoce kamienia ludzie używali do wyrobu ozdób złota, a w epoce brązu - srebra. Obecnie jubilerzy mają do dyspozycji szerokie spektrum minerałów. Do najcenniejszych kamieni szlachetnych należą bezbarwne diamenty oraz cenione za piękny kolor szmaragdy, rubiny oraz szafiry. Minerały te są tak cenne, że ich wagę określa się w specjalnych jednostkach - karatach (1 karat = 200 miligramów).

Diament tworzy się pod bardzo wysokim ciśnieniem, na dużych głębokościach w podłużnych złożach skały wulkanicznej zwanej kimberlitem Minerał ten jest odmianą węgla pierwiastkowego i ma taki sam skład chemiczny jak naturalny grafit, wykorzystywany przy produkcji ołówków Jednak cechą wyróżniającą diamenty spośród innych minerałów jest ich twardość oraz charakterystyczny blask, który uzyskują po specjalnym oszlifowaniu i wypolerowaniu.

To, że diament i grafit są do siebie tak niepodobne wynika z odmiennego ułożenia atomów a co za tym idzie różnej struktury wewnętrznej Zdolność substancji

do występowania w kilku różnych odmianach zwana jest polimorfizmem czyli wielopostaciowością.

Szmaragd, na przykład, to rzadka, zabarwione na zielono odmiana berylu. Najpiękniejsze okaz> szmaragdów pochodzą z Kolumbii w Ameryce Południowej. Najbardziej okazałe rubiny, które są odmianą twardego minerału zwanego korundem, znaleziono w Birmie, a po przepiękne szafiry (niebieska odmiana korundu) trzeba się wybrać do Tajlandii lub Sri Lanki.

Rudy metali

W ciągu ostatnich dwustu lat zapotrzebowanie na metale wzrosło do tego stopnia, ze juz wkrótce zasoby niektórych z nich, wyczerpią się i znikną z powierzchni Ziemi.

Niektóre metale, na przykład złoto, wydobywa się w stanie czystym lub prawie czystym. Jednak większość występuje w rudach, czyli minerałach zawierających oprócz metali także inne substancje.

Ze względu na swój piękny kolor i połysk, złoto było najprawdopodobniej pierwszym metalem, który został zauważony i wykorzystany przez człowieka do wyrobu ozdób. Inne metale odzyskiwano z rud za pomocą wytapiania. Już 7000 lat temu, miedź była odzyskiwana z zabarwionej na zielono rudy - malachitu.

W jaki sposób powstały rudy

Wiele minerałów tworzy się podczas zastygania magmy - gorącej, płynnej skały, będącej mieszaniną dużej ilości pierwiastków, czyli najprostszych substancji, które nie mogą być już dalej rozbite przez żadną reakcję chemiczną. Wśród tych pierwiastków znajdują się również metale. W trakcie procesu twardnienia, poszczególne minerały krystalizują się w ściśle określonej kolejności. Jako pierwsze pojawiają się te najbardziej pospolite, będące na przykład podstawowym składnikiem granitu, tzn. skalenie, kwarc i mika. Wcześnie krystalizuje się również chromit (ruda chromu),

który opada na dno magmy i tam osadza się jako skała odmienna niż ta znajdująca się powyżej.

Na tym etapie większość magmy jest jeszcze w stanie płynnym, i stopniowo ulega dalszej krystalizacji. Część cieczy zastyga w szczelinach nowopowstałej skały tworząc duże kryształy. Osady takie noszą nazwę pegmatytów. Po zakrzepnięciu większości magmy, pozostają jedynie gorące roztwory wodne odpowiedzialne za przeobrażenia hydrotermalne, dzięki którym wytwarzają się wciąż nowe substancje. Ciecz taka, bogata w rzadkie minerały, często przebywa długą drogę, zanim osadzi się w postaci zastygłej skały w jamach i szczelinach, formując tak zwane złoża żyłowe.

Osady

Innego rodzaju skały osadowe powstają w wyniku erozyjnej działalności wiatru, rzek oraz mórz i oceanów, które niszczą skały, a następnie transportują na dalekie odległości drobne ich cząstki, tzn. piasek i glinę. Cięższe kruszce zbijają się w skały twarde, takie jak na przykład piaskowce.

Z materiału skalnego niesionego przez rzeki mogą też powstać rudy żelaza. W klimacie zwrotnikowym, ulewne deszcze niszczą skały zawierające krzemian glinu. Związki te zostają wymyte ze skały i tworzą minerały bogate w boksyt, czyli rudę aluminium. Metale mogą być też wymywane ze skał przez kwaśną wodę deszczową i ostatecznie osadzane głęboko pod powierzchnią ziemi.

Przed laty, poszukiwacze rud metali mogli liczyć wyłącznie na łut szczęścia. Obecnie, dzięki wnikliwym badaniom, naukowcy są w stanie dokładnie przewidzieć, gdzie powinny znajdować się cenne złoża. Powstały mapy geologiczne, w dużym stopniu opierające się na zdjęciach lotniczych i satelitarnych. Na podstawie tych map specjaliści potrafią określić rodzaj, rozmieszczenie oraz budowę skał.

Dla poszukiwaczy rud metali ważnym źródłem wiedzy są też analizy chemiczne gleby, wody oraz roślin, których skład może wskazywać na obecność odpowiednich minerałów w podłożu. Z pomocą odkrywcom przychodzi również geofizyka. Pomiary pola elektrycznego, magnetycznego oraz grawitacji wielkich bloków skalnych wskazują na to, które z nich zawierają rozległe złoża minerałów, a które nie są warte uwagi poszukiwaczy.

W momencie odkrycia nowej rudy cennego minerału, rozpoczynają się wiercenia mające na celu ustalenie rozmiaru złoża, określenie czy nadaje się ono do wydobycia oraz czy eksploatacja przyniesie oczekiwane zyski.

Istnieją trzy podstawowe sposoby wydobycia. Jeżeli złoża znajdują się tuż pod powierzchnią Ziemi, stosuje się metodę odkrywkową. Jeśli minerały osadzone są na dnie rzeki lub jeziora, wydobywa się je za pomocą czerpania. Najbardziej kosztowna jest głębinowa eksploatacja złóż usytuowanych wiele metrów pod powierzchnią Ziemi.

Powtórne przetwarzanie

Współczesny przemysł korzysta z ok. 80 metali, z których część jest łatwo dostępna, niektóre należą do

rzadkości, natomiast kilka najcenniejszych występuje na naszej planecie w znikomych ilościach. Na przykład miedź stanowi 0,007% skorupy ziemskiej, cyna - 0,004%, ołów - 0,0016%, uran - 0,0004%, srebro - 0,000001%, natomiast złoto jedynie 0,0000005%.

Niektórzy eksperci alarmują, iż złoża pewnych metali eksploatowane są w zbyt szybkim tempie, co może doprowadzić do całkowitego ich wyczerpania. Skutkiem zanikania określonych metali byłby znaczny wzrost ich ceny rynkowej. Dlatego postuluje się ponowne przetwarzanie pozornie zuż) fvch już części metalowych.

Szacuje się, że około połowa żelaza i jedna trzecia aluminium wykorzystywanego w przemyśle pochodzi z odrzuconych wcześniej odpadków, co pozwala optymistycznie spojrzeć w przyszłość. Oszczędności takie mają dodatkowo duże znaczenie dla ochrony środowiska. Górnictwo bowiem nie tylko jest źródłem poważnych zanieczyszczeń, lecz także zużywa olbrzymie ilości energii. Do produkcji 1 tony aluminium z odpadków zużywa się jedynie 5% energii potrzebnej do wydobycia identycznej ilości tego metalu ze złóż naturalnych.

Węgiel

Węgiel jest jednym z najbardziej niezwykłych minerałów występujących na kuli ziemskiej. Po pierwsze jest skałą pochodzenia organicznego, czyli powstałą ze szczątków organizmów żywych. Po drugie, w przeciwieństwie do innych skał pali się, wydzielając dużo ciepła.

Węgiel, który był podstawowym paliwem w czasie rewolucji przemysłowej, przyczyni! się do rozwoju wielu gałęzi przemysłu. W skład węgla kamiennego wchodzi węgiel pierwiastkowy, który nadaje mu czarne zabarwienie, oraz łatwopalne gazy. czyli wodór, azot oraz tlen.

Pochodzenie węgla

Większość złóż węgla formowała się od 360 do 286 milionów lat temu i właśnie z tego powodu ten okres w dziejach Ziemi został nazwany karbonem.

Węgiel powstał na bagnistych obszarach, które w tamtych czasach porastały wilgotne lasy tropikalne. Drzewa z tamtego okresu w bardzo małym stopniu przypominały jednak te. które spotykamy współcześnie. Do największych należały gigantyczne paprocie, skrzypy i widłaki.

Szczątki obumarłych roślin opadały na dno bagnistych jeziorzysk lub lagun, gdzie z powodu małej ilości tlenu i odpowiednich bakterii, rozkładały się bardzo powoli. Zjawisko to można obserwować również współcześnie. W pierwszej fazie rozkładu gnijące rośliny zmieniają się w torf. Procesowi temu towarzyszy wydzielanie metanu, głównego składnika gazu ziemnego (90%). błotnego i kopalnianego.

Torf nie jest w stanie samoistnie przekształcić się w węgiel. Jego pokłady muszą najpierw zostać poddane odpowiedniemu ciśnieniu. Pierwsze zgniatanie złóż torfu odbywa się pod ciężarem wciąż narastającej ilości obumarłych roślin. Z warstwy torfu o grubości od 10 do 15 metrów może powstać jednometrowa warstwa węgla.

Po zapełnieniu bagna przez substancję roślinną, na złożach torfu osadzały się warstwy piasku i mułu. Następnie teren obniżał się, a wody morskie lub jeziorne ponownie go zalewały, dzięki czemu dochodziło do kolejnego etapu akumulacji roślinnej. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie, dlatego mówimy, że węgiel kamienny powstał w procesie sedymentacji cyklicznej. Doprowadziła ona do powstania licznych, oddzielonych od siebie innymi skałami osadowymi, pokładów węgla. Ich grubość różni się znacznie i wynosi od kilku milimetrów do kilku metrów.

Rodzaje węgla

Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje węgla w zależności od stopnia uwęglenia, czyli zaawansowania metamorfozy torfu.

Najmniej, bo tylko trzydzieści procent węgla pierwiastkowego zawiera torf. Węgiel brunatny,

zawdzięczający swą nazwę charakterystycznemu kolorowi, jest surowcem bardziej przetworzonym i zawiera od trzydziestu do siedemdziesięciu procent węgla pierwiastkowego. Przy spalaniu dymi, wydzielając stosunkowo mało ciepła.

Najwięcej energii uzyskać można z węgla kamiennego, stąd jego duża popularność. Nie jest to skała jednorodna - ułożone naprzemiennie warstwy błyszczące i matowe odpowiadają materiałowi, z jakiego powstały. Błyszczące - to skamieniałe drewno, matowe - drobne szczątki roślinne. W pokładach węgla kamiennego znajduje się również miękki, czarny pył, przypominający węgiel do rysowania. Najwięcej węgla pierwiastkowego -około 98% - zawiera antracyt. Jest to bardzo twarda odmiana węgla kamiennego i w porównaniu z pozostałymi rodzajami pozbawiona substancji brudzących. Podczas spalania emituje bardzo dużo ciepła i mało dymu, jednak rozpalenie antracytu jest bardzo trudne.

Wykorzystanie węgla

Węgiel jest przede wszystkim popularnym surowcem energetycznym. W niektórych domach do dziś używa się go do ogrzewania. Obecnie jednak większość węgla zużywana jest w przemyśle lub w elektrowniach. Zanim zaczęto wydobywać na szeroką skalę gaz ziemny, uzyskiwano go z węgla. Dzieje się tak do dziś w krajach pozbawionych naturalnych złóż gazu.

Produktem wysokotemperaturowego odgazowywania węgla kamiennego jest koks - paliwo niezbędne do wytapiania rud żelaza. Aby uzyskać koks, podgrzewa się węgiel w szczelnie zamkniętych piecach koksowniczych. Bez dostępu tlenu nie dochodzi do spalania, a jedynie do wytrącenia lekkich olejów, związków amoniaku, smoły węglowej i gazu. Pozostała substancja to koks.

Węgiel jest również wykorzystywany w przemyśle chemicznym. Związki amoniaku, smoła węglowa i lekkie oleje są niezbędne przy produkcji barwników do tkanin, materiałów antyseptycz-nych, lekarstw, detergentów, środków zapachowych, nawozów, substancji niszczących chwasty oraz lakierów do paznokci, a nawet słodzików zawierających sacharynę.

Gdzie go szukać?

Węgiel jest najczęściej występującym surowcem energetycznym pochodzenia organicznego. Specjaliści obliczyli, że przy obecnym zużyciu, znane ludziom złoża powinny wystarczyć na ponad 200 lat. Jednocześnie szacuje się, iż nasza planeta kryje zasoby piętnastokrotnie większe od dotychczas poznanych. Spośród obecnie dostępnych, dwie trzecie światowych zasobów węgla znajduje się na obszarze trzech krajów - w Stanach Zjednoczonych (30%), w Rosji i byłych republikach radzieckich (25%), oraz w Chinach (10%). Wśród największych potentatów w wydobyciu węgla należy wymienić również Australię, Kanadę, Niemcy, Indie, Polskę, Republikę Południowej Afryki oraz Wielką Brytanię. W Ameryce Południowej węgiel wydobywa się jedynie w czterech krajach - w Argentynie, Brazylii, Chile i w Kolumbii. Eksploatacja tych złóż jest bardzo utrudniona, ponieważ większość z nich znajduje się głęboko pod ziemią, na obszarach porośniętych przez lasy tropikalne. Spośród 52 krajów afrykańskich, jedynie w ośmiu wydobywa się węgiel. Najwięcej w RPA i Zimbabwe; resztę w Algierii, Maroku, Mozambiku, w Nigerii, Tanzanii i Zairze.

Jak go szukać?

Przed około trzema tysiącami lat Chińczycy jako pierwsi odkryli węgiel, który prawdopodobnie ukazał się ich oczom jako minerał zalegający bezpośrednio na

powierzchni ziemi, na zboczach gór, lub w korycie rzeki. Eksploatując złoże, starożytni górnicy posuwali się wydrążonymi korytarzami coraz głębiej. Obecnie odkrywaniem nowych pokładów zajmują się geolodzy. Rejon poszukiwań zawęża się za pomocą zdjęć lotniczych i satelitarnych. Później, podobnie jak w przypadku gazu ziemnego, geolodzy wywołują sztuczne wstrząsy podziemne. Doprowadzają one do powstania drgań rejestrowanych na powierzchni ziemi przez sejsmografy, zwane w geofizyce poszukiwawczej geofonami. Wykres drgań dostarcza informacji na temat ułożenia warstw skorupy ziemskiej i ich budowy geologicznej.

Następnie, we wskazanym przez specjalistów miejscu, wykonuje się wiercenia głębinowe i po pobraniu próbek można z dużym prawdopodobieństwem określić, czy w danym miejscu znajduje się węgiel, a jeśli tak to jakiej jakości oraz na jakiej głębokości.

Inną metodą, przydatną w pracach na bardzo dużych głębokościach, stosowaną pierwotnie przy poszukiwaniu ropy naftowej i gazu ziemnego są wiercenia. Do otworu wiertniczego wprowadza się wiele różnych przyrządów mierniczych, które mają wszechstronnie zbadać ułożenie oraz rodzaj warstw skorupy ziemskiej. Sonda, którą spuszcza się w głąb otworu wiertniczego, a następnie wyciąga na powierzchnię z określoną prędkością, wyposażona jest w instrumenty badające porowatość skał, ich radioaktywność, uskoki pomiędzy poszczególnymi warstwami oraz oporność czyli sposób w jaki skały przewodzą ładunki elektryczne.

Górnictwo odkrywkowe

Grubość poszczególnych pokładów węgla może być zróżnicowana i waha się od kilku centymetrów do kilku metrów. Jednak bez względu na grubość, eksploatuje się je w dwojaki sposób, w kopalniach odkrywkowych lub głębinowych. Jeżeli węgiel znajduje się blisko powierzchni ziemi, tak jak w wielu miejscach w Australii czy w Stanach Zjednoczonych, wydobywa się go w kopalniach odkrywkowych. Metoda ta stosowana jest również przy eksploatacji złóż węgla brunatnego we wschodniej Europie. W Wielkiej Brytanii kopalnie odkrywkowe mają średnio trzydzieści trzy metry głębokości. W najgłębszej tego typu kopalni w Niemczech eksploatuje się węgiel na głębokości 325 metrów.

Budowa kopalni odkrywkowej to poważna ingerencja w środowisko naturalne. Roboty górnicze rozpoczynają się od usunięcia wierzchnich warstw gleby i skał. które odrzucone na sąsiadujące tereny tworzą olbrzymie hałdy.

Węgiel wydobywa się przy pomocy gigantycznych koparek. Największe maszyny używane w Wielkiej Brytanii są w stanie pomieścić za jednym razem dwa samochody osobowe. Są również zdolne do udźwignięcia ładunku o łącznej masie 100 ton. Największa koparka na świecie pracuje w kopalni węgla brunatnego w niemieckim mieście Hambach. Jest ona w stanie udźwignąć trzynaście tysięcy ton ładunku.

Gdy pokłady węgla w kopalni odkrywkowej zostaną wyczerpane, podejmuje się działania mające na celu przywrócenie zniszczonemu środowisku pierwotnego stanu.

Górnictwo głębinowe

W Europie podstawowym sposobem eksploatacji złóż węgla jest górnictwo głębinowe. W Stanach Zjednoczonych metodą tą wydobywa się około 40%, natomiast w Australii około 50% węgla.

Zdarza się. że pokłady znajdują się na bardzo dużej głębokości. W Wielkiej Brytanii najgłębsze eksploatowane pokłady znajdują się na głębokości 1300 metrów. Aby umożliwić połączenie z dolnymi pokładami buduje się pionowe szyby, którymi górnicy zjeżdżają w dół lub wracają na górę. Tą samą drogą transportuje się na powierzchnię wydobyty minerał. Sama podziemna kopalnia może zajmować wielki obszar, a specjalne kolejki wożą górników od szybu do ściany węgla, pokonując wielokilometrowe odległości.

W przypadku złóż położonych na mniejszej głębokości buduje się szyby pochyłe, tzw. sztolnie, którymi górnicy zjeżdżają w dół i z powrotem, węgiel zaś transportowany jest na taśmociągu.

Samo wydobycie odbywa się za pomocą dwóch podstawowych technologii. Pierwsza z nich, metoda filarowa, stosowana głównie w Stanach Zjednoczonych, polega na drążeniu złoża, przy jednoczesnym pozostawieniu części węgla w postaci filarów zabezpieczających strop. Przy zastosowaniu tej metody znaczna część pokładu pozostaje jednak pod ziemią.

O wiele efektywniejsza jest metoda stosowana w Europie i powoli wprowadzana w Stanach Zjednoczonych polegająca na kopaniu dwóch równoległych tuneli w odległości około dwudziestu metrów. Specjalne maszyny górnicze wybierają węgiel między tunelami, z tym że w miarę przesuwania się w głąb pokładu, przekopane tunele, nie podparte filarami, zawalają się. Przy zastosowaniu tej metody, można wydobyć aż dziewięćdziesiąt procent istniejącego węgla.

Zagrożenia

Co roku przy wydobyciu węgla giną setki górników. Ryzyko związane z wykonywaniem tego zawodu jest bardzo wysokie i jak dotąd nie są znane środki, które zapewniłyby bezpieczeństwo lu dziom pracującym w kopalniach. Ponadto kontak z węglem oraz jego pochodnymi stanowi duż zagrożenie dla zdrowia. Kontakt z węglowodorem na przykład, może spowodować raka skóry, nato miast dym oraz gazy emitowane podczas spalani węgla często prowadzą do schorzeń układu odde chowego. nie wyłączając raka płuc.

Dym taki zawiera również dwutlenek siarki który po połączeniu z wodą tworzy kwas siarko wy - główny składnik kwaśnego deszczu. Kwaśm deszcz niszczy drzewa i inne rośliny, zabija wodn; faunę, a także osłabia materiały budowlane.

Dwutlenek węgla, kolejny produkt uboczny spalania węgla, jest jednym z gazów odpowie dzialnych za efekt cieplarniany - zjawisko mogą ce doprowadzić do niebezpiecznego ocieplenie klimatu naszej planety.

Perspektywy na przyszłość

Pomimo wielu zagrożeń i nieustających poszukiwań czystszych źródeł energii, węgiel wciąż jesi podstawowym surowcem energetycznym.

Znane metody wydobycia węgla są jednak bardzo kosztowne. Dlatego trwają badania nad bardziej efektywnym wykorzystaniem odkrytych zasobów tego surowca. Specjaliści pracują nad metodą spalania złóż węgla pod ziemią w celu uzyskania gazu. Nadzieję budzi też możliwość uzyskiwania z węgla płynnego paliwa, które mogłoby w przyszłości zastąpić topniejące zasoby ropy naftowej.

Anchor 21

Anchor 22

Anchor 23

Anchor 24

Anchor 25

Anchor 26

Anchor 27

Anchor 28

Uskok świętego Andrzeja w Kalifornii jest granicą pomiędzy dwiema ptytami. Ruchy płyt powodują trzęsienia Ziemi.

Ziemia. Na lewym zdjęciu widoczna jest Ameryka Pótnocna i część Afryki. Na prawym większość Afryki i Antarktyda.

Prawdopodobnie Ameryka i Afryka były połączone w ten sposób.

Kopalnia Iron Knob w Południowej Australii. Podobieństwo w budowie odpowiednich grup skalnych ma duże znaczenie dla poszukiwaczy zasobów naturalnych. Ponieważ Australia i Antarktyda były kiedyś jednym kontynentem, surowce mineralne wydobywane w Południowej Australii najprawdopodobniej zalegają również pod lodami Antarktydy.

Odnalezione na Antarktydzie ska-mieniafe szczątki Lystrozaura — gada żyjącego w Afryce i Azji — dowodzą istnienia Gondwany.

Mezozaur nie pływał w Atlantyku. Tymczasem jego skamieliny odkryto zarówno w Afryce jak i w Brazylii.

Przekrój wewnętrzny Ziemi. W przeciwieństwie do Oceanu Atlantyckiego, dno Pacyfiku stale zmniejsza swą powierzchnię. Powstająca w grzbietach oceanicznych nowa materia, nieustannie transportowana jest na przemieszczających się platformach w kierunku rowów oceanicznych, aby tam ulec zniszczeniu. Platforma południowoamerykańska składa się ze skorupy zarówno dna morskiego, jak i kontynentalnej. Przesuwając się na zachód nachodzi na bardziej zwartą platformę Pacyfiku. Litosfera „unosi się" na powierzchni półpłynnej astenosfery.

Przekrój poprzeczny Ziemi przedstawia poszczególne warstwy. Litosfera składa się ze skorupy kontynentalnej oraz oceanicznej, a także z górnej warstwy płaszcza.

Zdjęcie satelitarne dna morskiego przedstawia wyższe góry i głębsze doliny niż te, które można spotkać na powierzchni kontynentów. Na komputerowym obrazie widoczny jest Rów Filipiński, który ma długość 1325 km. Wulkan o wysokości 1500 metrów został zlokalizowany na głębokości 4 km za pomocą specjalistycznego sonaru.

Rów Środkowoafrykański jest miejscem potencjalnego pęknięcia płyty afrykańskiej. Naukowcy uważają, że w miejscu tym powstanie w przyszłości morze.

Kalifornijski uskok św. Andrzeja, punkt styku płyt Pacyfiku oraz północnoamerykańskiej, to obszar, który prawdopodobnie czeka potężne trzęsienie ziemi.

Islandia - największa wyspa Grzbietu Północnoatlantyckiego, charakteryzująca się dużą liczbą czynnych wulkanów. Na zdjęciu widoczna jest dolina ryftowa.

Morze Czerwone jest częścią tworzącego się nowego oceanu.Jego dno rozsuwa się o 2 cm każdego roku, „odpychając" Półwysep Arabski od Afryki.

Na styku pfyt tektonicznych znajdują się aktywne wulkany, często występują trzęsienia ziemi oraz ruchy górotwórcze. Nowa materia tworząca płyty powstaje w miejscu, gdzie się one rozchodzą, czyli w grzbietach oceanicznych. W strefie rowów oceanicznych jedna płyta znika pod drugą. W uskokach przekształcających platformy przesuwają się względem siebie, natomiast w miejscu zderzenia powodują wypiętrzanie się nowych gór.

Ten 500-metrowy fragment estakady w Kobe runął podczas trzęsienia ziemi w 1995 r. Była ona zbudowana jeszcze przed wprowadzeniem w życie rygorystycznych zaleceń budowlanych przyjętych w 1971 r.

W 1989 r. trzęsienie ziemi spowodowało poważne zniszczenia w San Francisco, gdyż wskutek wstrząsu zsunęły się z fundamentów stare drewniane domy wzniesione na wysypisku.

Podczas trzęsień ziemi często wybuchają pożary. Jeżeli zostają zniszczone wodociągi, pożary mogą rozprzestrzeniać się przez kilka dni, zwiększając zniszczenia i liczbę ofiar.

San Francisco nawiedziły dwa silne trzęsienia ziemi. Ta wyrwa w nawierzchni mostu, która powstała w czasie trzęsienia w 1989 r., była wystarczająco duża, by samochody zsunęły się do wody.

Trzęsienie ziemi, które dotknęfo Anchorage, stolicę Alaski w marcu 1964 r. było jednym z najsilniejszych w dziejach; spowodowało zniszczenia oceniane na miliony dolarów. Większość szkód wywołała kurzawka, typowa dla tego typu gruntów.

Znaczna część spośród 25 000 ofiar trzęsienia ziemi w Armenii w 1988 r. zginęła zasypana pod gruzami. Jeszcze po tygodniu ratownikom udawało się wydobyć tych, którzy przeżyli.

Wiele budynków, wznoszonych w strefach sejsmicznych, projektuje się wg technologii sejsmoodpornej. Po trzęsieniu ziemi w 1985 r. w Mexico City, niektóre konstrukcje, jak ten wieżowiec, pozostały nietknięte.

Fontanna lawy wytryska ze stożka Mauna Loa, największego czynnego wulkanu na świecie. Ma on 120 km długości i 50 km szerokości. Kilauea - hawajski sąsiad Mauna Loa - jest wulkanem tego samego typu.

Ta niezwykła fotografia nie jest negatywem. Ukazuje ona fragment osady na Filipinach, przysypanej popiołem pochodzącym z wybuchu wulkanu Pinatubo w 1991 r.

W 1973 r. wulkan na islandzkiej wyspie Heimeay ożył po trwającym 5000 lat uśpieniu. Gwałtowna erupcja pokryła miasteczko Vestmannaeyjar pyłem i popiołem.

Kiedy badacze wypełnili gipsem zagłębienie w skamieniałych popiołach Pompei, zobaczyli odlew ciała dziecka, jednej z ofiar erupcji Wezuwiusza w 79 r.

Rzeka płynnej lawy na zboczach Etny, na Sycylii, rozświetla nocne niebo, torując sobie drogę w dół zbocza.

Etna na Sycylii jest jednym z najaktywniejszych wulkanów świata. Wybuchała ona ponad 150 razy począwszy od 1500 r. przed Chrystusem, kiedy po raz pierwszy odnotowano to oficjalnie.

Tak wygląda krater wulkanu El Chichón w południowym Meksyku po wybuchu w 1982 r., kiedy pióropusz popiołów sięgnął 16,8 km wysokości.

Widok z Mount Everest na Himalaje — najwyższe pasmo górskie świata. Liczne trzęsienia ziemi w tym regionie wskazują na wciąż trwające wypiętrzanie się Himalajów.

Granitowe oblicze Mighty Half Dome w Kalifornii. Granit skuteczniej opiera się erozji niż otaczające go miększe skaty.

Mount Osorno w Andach — imponujący przykład stożka wulkanicznego.

Himalaje pojawiły się na ziemi około 50 milionów lat temu dzięki zderzeniu Indii z Azją.

Uskok gór zrębowych w Sierra Nevada w Stanach Zjednoczonych.

Klasyczny stożek wulkaniczny, malowniczy element krajobrazu, powstaje na skutek długotrwałej erupcji popiołów, skał piroklasycznych i ciekłej lawy.

Gigantyczne pasma gór fałdowych powstają na styku płyt tworzących skorupę ziemską. Wypiętrzone masy skalne górują tysiące metrów nad poziomem morza

Pod wpływem silnego nacisku wierzchnie warstwy skały nie fałdują się, lecz pękają. Powstały uskok stromo wznosi się ponad równinę

Złoto, jeden z najcenniejszych minerałów, wydobywa się w postaci ziaren, blaszek albo samorodków. W głęboko położonych kopalniach złota, można też spodziewać się złóż uranu.

(1) Stygnąca magma tworzy skatę wulkaniczną. W tym czasie w wolnych przestrzeniach krystalizują się kwarc, piryt i skaleń. (2) Osady rzeczne przyciągają wielu poszukiwaczy cennych minerałów, ponieważ zerodowany i zwietrzały materiał skalny może zawierać drogocenne metale oraz kamienie szlachetne. (3) Pod wpływem wysokiej temperatury i gazów wulkanicznych wapienie zmieniają się w rudy metali,

np. miedzi. (4) Poddany działaniu wysokiej temp. łupek ilasty przeistacza się w minerały zawierające granat.

(5) Z żył hydrotermal-nych wydobywa się złoto i srebro. (6) Piasek i żwir zatrzymują materiał skalny, powstały w wyniku wietrzenia i erozji. Na przykład chalcedon i kalcyt pochodzą z wapieni i piaskowców.

(7) Skała metamorficzna, powstaław wyniku działania gigantycznego ciśnienia, to „róg obfitości" dla poszukiwaczy turkusów i niektórych szmaragdów. (8) Warstwy osadowe zawierają bogate złoża dolomitów.

Silnie zasolony region Danakil w Etiopii. Sól pochodzi z gorących słonych źródeł. Po wyparowaniu wody sól osadza się na powierzchni ziemi.

Struktura cząsteczki soli kamiennej. Atomy chloru przedstawione są na zielono, natomiast atomy sodu na czerwono.

Symetria pomagać w rozróżnianiu minerałów. Oś symetrii to prosta wokół której, przy obrocie o 360°, powtarzają się jednakowe części kryształu (ściany, krawędzie, naroża). Oś poprowadzona przez dwie przeciwległe krawędzie sześciennego kryształu soli daje identyczny obraz dwa razy, a więc wyróżnić można sześć osi dwukrotnych; oś poprowadzona przez dwa przeciwległe naroża daje ten sam obraz trzy razy (4 osie trójkrotne). Natomiast trzy osie symetrii przebiegają przez środki przeciwległych ścian.

Siekiery sprzed 250000 lat wykonane z krzemienia to pierwsze narzędzia w historii ludzkości.

Magnetyt jest doskonałym przykładem minerału magnetycznego. Minerał taki przyciągany jest przez zwykły magnes

Atomy miki układają się luźno połączonymi ze sobą warstwami. Poszczególne warstwy pękają z trudnością, lecz łatwo je rozdzielić. Cecha ta zwana jest łupliwością.

Zjawisko fluorescencji. Pod wpływem niewidzialnych promieni radioaktywnych, niektóre minerały (np. fluoryt) wyraźnie świecą.

Chryzotyl tworzy długie włókniste kryształy. Dzięki wytrzymałości na wysokie temperatury jest używany do produkcji azbestu.

„Koronka meksykańska" - jeden z rodzajów agatu, który jest odmianą chalcedonu (mieszaniny kwarcu i opalu).

Diament skryty w skale magmowej kimberlicie.

Stara metoda przesiewania żwiru rzecznego w poszukiwaniu diamentów.

Diament Koh-i-noor znaleziono w Indiach, a po oszlifowaniu został on wykorzystany do wyrobu brytyjskich klejnotów królewskich.

Jedna z największych kopalni złota na świecie w West Driefontein w RPA.

W Toquepala, w peruwiańskiej części Andów, metodą odkrywkową wydobywa się nisko-wartościową miedź

Wypolerowany malachit. Już 7000 lat temu za pomocą wytapiania odzyskiwano z malachitu miedź.

Ten kawałek meteorytu, znaleziony na Syberii, zbudowany jest z żelaza. Badania meteorytów dostarczają naukowcom cennych informacji na temat budowy geologicznej innych planet.

Kopalnia odkrywkowa we wschodnich Niemczech. Wierzchnie warstwy gleby i skat, odrzucone na sąsiadujące tereny, tworzą olbrzymie terasy. Im gtębsza odkrywka, tym większy teren zajmuje cała kopalnia.

Nietrudno jest określić jakie rośliny rosły w lasach, z których powstały pokłady węgla, ponieważ skamieniałe szczątki tych roślin można znaleźć w skałach sąsiadujących ze złożami tego surowca. Te skamieliny paproci odnaleziono w Yorkshire w Wielkiej Brytanii.

Typowa kopalnia głębinowa. Wydobycie węgla z pokładów znajdujących się głęboko pod powierzchnią ziemi wymaga zastosowania skomplikowanych technologii oraz bardzo kosztownych urządzeń.

Opłacalne źródła energii we współczesnym świecie to węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny oraz uran. Najważniejsze spośród nie-wyczerpywalnych źródeł ciepła to spalanie materii organicznej, a także energia wody.

Drążenie ściany węgla za pomocą urządzenia zaopatrzonego w specjalne ostrza.

Wydobywanie węgla w Stanach Zjednoczonych. Zmechanizowany załadunek surowca na urządzenie transportujące go do centralnego taśmociągu, który wywiezie węgiel na powierzchnię.

Wiertła stosowane przy poszukiwaniu nowych złóż węgla. Po lewej stronie wiertło, które jedynie drąży otwór. Po prawej - wiertło, które nie tylko wierci otwór, ale również pobiera próbkę.

Jedna z najnowocześniejszych elektrowni niemieckich w Heilbronnie wykorzystuje boga te krajowe zasoby węgla kamiennego.