पृथ्वीचे अंतरंग

पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील खडकांची बरीच माहिती आपल्याला झालेली असली, तरी भूपृष्ठापासून केवळ काही किमी. खोलीवर कोणत्या प्रकारचे खडक किंवा पदार्थ आहेत, याची प्रत्यक्ष पहाणी करुन त्यांची माहिती मिळवता आलेली नाही. खोल खाणी, तसेच खनिज तेलाच्या शोधासाठी खणलेले नलिकाकूप यांतून भूपृष्ठाखालच्या खडकांचे नमुने उपलब्ध होतात.

जगातील सर्वांत खोल म्हणून गणली गेलेली द.आफ्रिकेतील सोन्याची खाण भूपृष्ठापासून फक्त ३,५४३ मी. खोल आहे. सर्वांत खोल पोहोचणारे नलिकाकूप उ. अमेरिकेत ओक्लाहोमा राज्यात असून ते ९,५८३ मी. खोल गेले आहेत. याचा अर्थ भूपृष्ठापासून ९.५ किमी. पेक्षा जास्त खोल जागी असणाऱ्या खडकांची प्रत्यक्ष माहिती आपणास नाही. पृथ्वीची त्रिज्या ६,३७० किमी. आहे, हे ध्यानात घेतल्यास आपली खडकांची माहिती किती वरवरची आहे, हे ध्यानात येईल.

अर्थात इतर अप्रत्यक्ष मार्गांनी पृथ्वीच्या अंतर्भागाची माहिती करुन घेता आलेली आहे. पृथ्वीच्या कवचाची आणि विशेषकरून पृथ्वीच्या खोल अंतर्भागाची माहिती नैसर्गिक भूकंपांच्या अभ्यासातून मिळाली आहे.

भूकंपामुळे निर्माण होणारे तरंग त्याच्या उगमापासून निघून पृथ्वीच्या आत खोलवर शिरतात, ही गोष्ट अठराव्या शतकातच ध्यानी आली होती. एकोणिसाव्या शतकाच्या अखेरीस पहिले भूकंपमापी यंत्र तयार करण्यात आले.

१९०३ मध्ये इंटरनॅशनल सिस्मॉलॉजी ॲसोसिएशनची (आंतरराष्ट्रीय भूकंपविज्ञान संस्थेची) स्थापना होऊन जगभर भूकंप नोंदणी केंद्रांचे जाळे निर्माण करण्यात आले. तेव्हापासून जगात कोठेही होणाऱ्या भूकंपांची नोंद ठेवण्यात येऊन त्यांचा सखोल अभ्यास केला जात आहे. भूकंपतरंगांच्या या अभ्यासातून पृथ्वीच्या अंतरंगासंबंधी मिळालेल्या माहितीचे संकलन हॅरल्ड जेफ्रिझ, बेनो गूटेनबेर्ख, के.ई. बुलेन इ. भूवैज्ञानिकांनी केले आहे.

भूकंपतरंगाचे मुख्यतः प्राथमिक, द्वितीयक आणि पृष्ठतरंग असे तीन प्रकार असतात. यांपैकी प्राथमिक आणि द्वितीयक तरंग कवचाखाली शिरून निरनिराळ्या खोलीच्या थरांतून प्रवास करीत भूकंप नोंदणी केंद्राशी पोहोचतात. पृष्ठतरंग मात्र केवळ पृष्ठालगतच्या कवचातूनच प्रवास करतात. यांपैकी प्राथमिक व द्वितीयक तरंगांमुळे पृथ्वीच्या अंतर्भागासंबंधी खूपच महत्त्वाची माहिती मिळू सकते. पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून तो मध्यापर्यंत सर्वत्र सारख्याच भौतिक व रासायनिक गुणधर्मांचा पदार्थ असता, तर हे तरंग त्यातून प्रवास करताना विचलित न होता सरळ रेषेत गेले असते; पण प्रत्यक्षात असे दिसते की, खोलीनुसार तेथील पदार्थाची दृढता वाढत जाते. त्यामुळे या तरंगांचा वेगही वाढत जातो आणि प्रकाश किरणांप्रमाणे या तरंगाचे प्रणमन (एका माध्यमातून दुसऱ्यात जाताना दिशेत बदल होण्याची क्रिया) होऊन त्यांचा प्रवासमार्ग गाभ्याकडे बहिर्गोल झालेला दिसून येतो.

भूकंपतरंगांच्या अभ्यासावरून पृथ्वीची पृष्ठभागापासून तो मध्यापर्यंतची रचना ही पृष्ठभाग ते सु. १०-७० किमी. खोलीपर्यंत कवच, त्याच्याखाली २,९०० किमी. खोलीपर्यंत प्रावरण व त्याच्या खाली मध्यापर्यंत गाभा अशा तीन प्रकारच्या संकेंद्री (एकच केंद्र असलेल्या) थरांची असल्याचे आढळून आले आहे. कवचाची जाडी भूखंडांखाली सर्वांत जास्त व महासागरांच्या तळाखाली कमीत कमी असते. कवचाच्या तळाशी व प्रावरणाच्या वरच्या सीमेशी भूकंपतरंगांच्या वेगात एकाएकी बरीच वाढ झालेली दिसते. १९०९ मध्ये आंद्रिया मोहोरोव्हिसिक यांनी हे सत्य प्रथम उजेडात आणले त्यावरून या सीमापृष्ठाला ‘मोहोरोव्हिसिक असांतत्य सीमा’ असे नाव दिले आहे.

प्रावरणाच्या वरच्या सीमेशी प्राथमिक वरच्या सीमेशी प्राथमिक तरंगांचा वेग ७.८ ते ८.१ किमी./से. असतो. जसजसे अधिक खोल जावे तसतसा हा वेग वाढत जाऊन प्रावरणाच्या तळाशी म्हणजे २,९०० किमी. खोलीवर तो १३.६ किमी./से. होतो. याच खोलीवर द्वितीयक तरंगांचा वेग अनुक्रमे ४.३५ किमी./ से. पासून वाढत जाऊन २,९०० किमी. खोलीवर तो ७.२५ किमी./से. होतो. २,९०० किमी. खोलीपर्यंत जाणारे तरंग गाभ्याच्या दिशेने बहिर्वक्र असलेल्या मार्गाने प्रवास करीत भूकंपाच्या उगमकेंद्रापासून पृष्ठभागावर ११,५०० किमी. अंतरावर असणाऱ्याजागी पोहोचतात.

मात्र येथून पुढच्या ४,५०० किमी. अंतरापर्यंतच्या पट्ट्यातील कोणत्याही जागी प्राथमिक किंवा द्वितीयक तरंगांची नोंद होत नाही. फक्त पृष्ठतरंग मात्र पृष्ठालगतच्या भागातून येत असल्यामुळे त्यांची नोंद या पट्ट्यातील केंद्रात होते. त्यानंतरच्या पुढच्या म्हणजे उगम केंद्रापासून १६,००० किमी. पेक्षा अधिक अंतरावर असणाऱ्यास्थानापासून तो उगमकेंद्रापासून १६,००० किमी. पेक्षा अधिक अंतरावर असणाऱ्या स्थानापासून तो उगमकेंद्राच्या बरोबर विरुद्धपदी असणाऱ्या स्थानापर्यंतच्या सर्व केंद्रात फक्त प्राथमिक तरंग पोहोचल्याची नोंद होते; पण या नोंदणी केंद्रातही द्वितीयक तरंग येत नाहीत.

थोडक्यात या घटनेमुळे पुरेशा महत्तेच्या प्रत्येक भूकंपामुळे उगमकेंद्रापासून भूपृष्ठावर ठराविक अंतरावर असणारा कड्याच्या आकाराचा असा एक छायापट्ट दिसून येतो. या छायापट्टातील कोणत्याही नोंदणी केंद्रात प्राथमिक व द्वितीयक तरंग पोहोचू शकत नाहीत.

१९०६ मध्ये आर. डी. ओल्डॅम यांनी भूकंपामुळे असा छायापट्ट निर्माण होत असल्याचे निरीक्षण केले व त्यावरून पृथ्वीच्या मध्याशी खूप जास्त घनता असलेल्या पदार्थाचा गाभा असावा, असे अनुमान त्यांनी केले. गाभ्यातून प्रवास करताना प्राथमिक तरंगांचे प्रणमन अधिक होऊन त्यांच्या वेगात फार मोठी घट होते. त्यामुळे एकाद्या काचेच्या गोळ्यातून प्रकाशकिरण एकवटावेत तसे गाभ्यामुळे उगमकेंद्राच्या विरुद्ध बाजूला असलेल्या जागी प्राथमिक तरंग एकत्रित होतात आणि त्यामुळे पृष्ठभागावर मधल्या भागात छायापट्ट निर्माण होतो, असे स्पष्टीकरण ओल्डॅम यांनी दिले होते.

गाभ्यामध्ये द्वतीयक तरंग शिरून पुढे प्रवास करू शकत नाहीत आणि द्वितीयक तरंग हे अवतरंग (ज्यात माध्यमाच्या कणांचे कंपन तरंग प्रसारणाच्या दिशेशी लंब दिशेत असते) असून असे तरंग द्रव माध्यमातून प्रवास करण्यास असमर्थ असतात. यावरून गाभ्यातील पदार्थ द्रव स्थितीत, मुख्यतः वितळलेल्या लोहाचा बनलेला असावा, असेही अनुमान करण्यात आले.

बेनो गूटेनबेर्क यांनी १९१३ मध्ये भूकंपतरंगांच्या मापनांचा अभ्यास करून त्यावरून गाभ्याचे अस्तित्व निर्विवादपणे सिद्ध केले. गाभ्यातून द्वितीयक तरंग जाऊ शकत नसल्यामुळे तो संपूर्णतः द्रव स्थितीत असावा अशी पूर्वीची कल्पना होती; पण १९३६ मध्ये इंगे लीमान या डॅनिश भूकंपतज्ञ महिलेने गाभ्यामध्ये आणखी एक अस्पष्ट सीमा असून त्याखालच्या गाभ्याचा भाग घन स्थितीत असावा, असा निष्कर्ष काढला.

१९६० नंतर हायड्रोजन बाँबचे स्फोट घडवून आणून त्यांच्यामुळे निर्माण होणाऱ्या तरंगांच्या साहाय्याने पृथ्वीच्या अंतरंगासंबंधी अधिक सखोल अभ्यास करण्यात आला. त्या अभ्यासातून घन अंतर्गाभ्याच्या कल्पनेला पुष्टीच मिळाली आहे. एकूण गाभ्याची त्रिज्या २,४७० किमी. म्हणजे पृथ्वीच्या एकूण त्रिज्येच्या ५५% आहे, यापैकी अंतर्गाभ्याची त्रिज्या सु. १,३०० किमी. असावी, असे अनुमान करण्यात आले आहे.

अंतर्भागाची घनता: पृथ्वीची त्रिज्या ६,३७० किमी. असून एकूण पृथ्वीची सरासरी घनता ५.५१७ आहे. पृथ्वीचे परिवलन (स्वतःभोवती फिरणे), पृथ्वी व चंद्र यांच्या परस्परसापेक्ष गती, पृथवीभोवती प्रदक्षिणा करणाऱ्या मानवनिर्मित उपग्रहांच्या गती आणि इतर ग्रहांचे ज्योतिषशास्त्रीय वेध यांच्यावरून पृथ्वीचे निरूढी परिबल मोजता येते. पृष्ठभागापासून तो मध्यापर्यंत पृथ्वी समांगी आणि एकाच घनतेची असती, तर हे निरूढी परिबल ०.४ma2 इतके आले असते (तेथे m=पृथ्वीचे वस्तुमान आणि a=पृथ्वीची त्रिज्या); परंतु प्रत्यक्षात हे मूल्य ०.३३४ ma2 म्हणजे सैद्धांतिक मूल्याच्या ०.८२७ इतकेच येते. याचा अर्थ पृथ्वीच्या मध्याशी जास्त घनतेचे पदार्थ एकवटलेले असून बाह्य भागातील पदार्थाची घनता त्यामानाने कमी आहे असा होतो.

इ. स. १९६० च्या मे महिन्यात चिलीमध्ये घडून आलेल्या विध्वंसक भूकंपाच्या अभ्यासातून पृथ्वीच्या अंतरंगासंबंधीच्या कल्पनांना पुष्टी देणारी नवीन माहिती हाती आली. सर्वसामान्य भूकंपाच्या धक्क्यामुळे निर्माण होणाऱ्या तरंगाच्या मार्गक्रमणाच्या वेळी पृथ्वीच्या ज्या भागातून तरंग प्रवास करीत असतील तेवढ्याच भागात तरंगांची हालचाल होत असते; परंतु चिलीच्या भूकंपतरंगाबरोबरच संपूर्ण पृथ्वी एखाद्या घंटेप्रमाणे दोलायमान होऊन तिची मुक्त आंदोलने होताना आढळून आली. या आंदोलनांचा कालही नोंदण्यात आला. त्यानंतर १९६४ साली अलास्कामध्ये झालेल्या भूकंपाच्या वेळीही पृथ्वीच्या मुक्त आंदोलनाची नोंद करण्यात आली.

पृथ्वीच्या या आंदोलनाचा काल ३ मिनिटांपासून तो ५८ मिनिटांपर्यंत असल्याचे आढळून आले आहे. या आंदोलनांच्या अभ्यासावरूनही पृथ्वीतील पदार्थाची घनता किती खोलीवर कसकशी असावी, याचे गणित करता येते. के. ई. बुलेन यांनी पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून तो अंतर्गाभ्याच्या वरच्या सीमेपर्यंत पदार्थांची घनता कसकशी बदलत जाणे शक्य आहे, याचा आलेख तयार केला आहे.

पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून मध्यापर्यंत वाढत्या खोलीनुसार दाबही सतत वाढत जातो. दाब वाढण्याचे हे प्रमाण प्रावरणात दर किमी. खोलीला सु. ४७० वातावरणीय (वा.दा.) असे पडते. गाभ्याच्या सीमेशी हा दाब सु. १३,७०,००० वा.दा. इतका आणि पृथ्वीच्या मध्याशी तो ३७,००,०० वा.दा. इतका असतो.

पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून जसजसे खोल जावे तसतसे गुरुत्वाकर्षणाचे मूल्य बदलत जाते. सुरुवातीला प्रावरणाच्या तलसीमेपर्यंत गुरुत्वाकर्षणात होणारा फरक अल्प असतो; पण त्याहून खोल जागी मात्र गुरुत्वाकर्षणाचे मूल्य झपाट्याने कमी होऊन मध्याशी गुरुत्वाकर्षण जरी शून्य असले, तरी तेथे सर्व बाजूंनी पडणारा दाब मात्र प्रचंड असतो त्यामुळेच अंतर्गाभा घन स्थितीत राहतो, असे अनुमान आहे.

अंतर्भागाचे तापमान: पृथ्वीच्या पृथ्वीच्या पृष्ठभागी जागोजागी वेगवगळे तापमान असू शकते. सर्व पृष्ठभागाचे वार्षिक सरासरी तापमान ३२° से. पासून तो –३२° से. पर्यंत असते. पृष्ठभागापासून जसजसे खोल जावे तसतसे तापमान वाढत जाते. ही तापमान प्रवणता (तापमान वाढण्याचे प्रमाण) दर ३० मी. ला १° से. किंवा दर किमी. ला सु. ३०° से. असते.

पृथ्वीच्या अंतर्भागातील तापमान.

ही प्रवणता मध्यापर्यंत अशीच राहिली, तर मध्याशी दोन लक्ष अंश सेल्सिअस इतके प्रचंड तापमान होईल. पण प्रत्यक्षात अधिक खोल जागी तापमान प्रवणता कमी होते, कारण भूपृष्ठाकडे येऊन पृष्ठावरून वातावरणात विसर्जित होणाऱ्या उष्णतेचा पुरवठा प्रामुख्याने कवचाच्या ३५किमी. जाडीच्या थरात असणाऱ्या किरणोत्सर्गी (भेदक कण वा किरण बाहेर टाकणाऱ्या) मूलद्रव्यांच्या विघटन क्रियेतून होत असतो.

ग्रॅनाइट खडकात अल्पसिकत (सिलिकेचे प्रमाण कमी असलेल्या) खडकांच्या मानाने सातपट प्रमाणात किरणोत्सर्गी उष्णता बाहेर पडते. प्रावरणात असणाऱ्या ड्यूनाइटसारख्या (डनइटासारख्या) खडकांमध्ये किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांचे प्रमाण जवळजवळ शून्य असते. पृथ्वीच्या एकूण पृष्ठभागावरून दर सेकंदाला ६ × १०१२ कॅलरी इतकी उष्णता वातावरणात निघून जाते. पृथ्वीच्या कवचात असणाऱ्या किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांचे एकूण परिमाण या उष्णता पुरवठ्याला पुरेल इतके असल्याचे निष्पन्न झाले आहे.

ज्वालामुखीतून बाहेर पडणाऱ्या बेसाल्टी लाव्ह्याचे तापमान सु. १,२००° से. असते, तर झोतभट्टीतील वितळलेल्या लोहाचे तापमान २,०००° से. असते. पृथ्वीच्या अंतर्भागीही सामान्यतः याच प्रतीचे तापमान असावे, असा अंदाज आहे.

रासायनिक संघटन : कवचात आढळणारे बहुतेक खडक प्रामुख्याने सिलिकेटी खनिजांचे बनलेले असतात. त्यांच्यात ऑक्सिजन, सिलिकॉन, ॲल्युमिनियम, लोह, मॅग्नेशियम, कॅल्शियम, सोडियम व पोटॅशियम ही मूलद्रव्ये विपुल असून टिटॅनियम, फॉस्फरस आणि हायड्रोजन ही कमी प्रमाणात सापडतात. इतर मूलद्रव्यांचे सरासरी प्रमाण पाहिले, तर ती केवळ लेशमात्र प्रमाणात असल्याचे दिसते.

भूखंडीय कवचात ग्रॅनाइटी खडक विपुल आढळतात. या खडकांच्या तळाशी, तसेच महासागरी तळांच्या खाली बेसाल्टचा थर आढळून येतो. बेसाल्ट थराच्या खाली काही किमी. जाडीच्या अल्पसिकत सर्पेंटाइनसदृश खडकाचा थर आढळतो. बहुधा प्रावरणाच्या सर्वांत वरच्या थराचा भाग सजल (जलयुक्त) होऊन हा थर तयार झाला असणे शक्य आहे. प्रावरण आणि गाभ्यातील पदार्थांचे प्रत्यक्ष नमुने घेण्याची शक्यता नसल्यामुळे अप्रत्यक्ष पुराव्यावरूनच त्यांच्या रासायनिक संघटनाचा अंदाज करावा लागतो.

मोहोरोव्हिसिक असांतत्य सीमापृष्ठाशी भूकंपतरंगांच्या वेगात एकदम बरीच मोठी वाढ होते. हे असांतत्य एकतर रासायनिक संघटनात बदल झाल्याचे किंवा भौतिक प्रावस्था बदलल्याचे निदर्शक असू शकेल. बहुधा बेसाल्ट किंवा ग्रॅब्रोसारख्या संघटनाच्या खडकांतून ड्युनाइट-एक्लोजाइटसारख्या अत्यल्पसिकत (सिलिकेचे प्रमाण अतिशय कमी असलेल्या) खडकात बदल होण्यामुळे हे असांतत्य निर्माण होत असावे. प्रावरण मुख्यतः ऑलिव्हीन व पायरोक्सिन या लोह-मॅग्नेशियमी सिलिकेटांचे बनलेले असावे. अमेरिकेतील कार्नेगी इन्स्टिट्यूट व ऑस्ट्रेलियन नॅशनल युनिव्हर्सिटी येथे कित्येकशे किमी. खोलीवर असणाऱ्या दाबाच्या व उच्च तापमानाच्या स्थितीतील विविध खनिजांच्या भौतिक गुणधर्मांचा अभ्यास केल्यावर वरील अनुमानाला पुष्टी मिळाली आहे.

पृथ्वीच्या बाह्य वातावरणातून येणारे अशनी हे पृथ्वीसारख्याच एखाद्या भूतपूर्व ग्रहाचे फुटलेले तुकडे आहेत असे मानल्यास या अशनींच्या अभ्यासावरूनही पृथ्वीच्या प्रावरणाचा भाग मुख्यत: लोह - मॅग्नेशियमची सिलिकेटांचा आणि गाभ्याचा भाग लेहमय किंवा लोह आणि निकेल यांच्या मिश्रधातूचा बनलेला असावा, असेच अनुमान निघते. गाभा धातूरूपी लोहाचा असावा हे अनुमान इतर निरिक्षणांशीही सुसंगत आहे. कारण उच्च दाबाखाली लोही सिलिकेटांपेक्षा धातूरूपी लोहाचा वितळबिंदू बराच कमी असल्याने प्रावरण घनावस्थेत आणि बाह्य गाभा वितळलेल्या द्रव स्थितीत असणे सुसंगत आहे. अंतर्गाभ्यातील दाब फारच प्रचंड असल्याने तेथील धातूरूपी लोहाला घनावस्थेची दृढता प्राप्त झालेली असावी.

[पृथ्वीच्या निनिराळ्या थरांची निदर्शक A, B, C, D, E, F व G ही अक्षरे जेफ्रिझ आणि बुलेन यांनी प्रथम सुचविली, ती आता सर्वमान्य झाली आहेत. *कवचाची जाडी सागरतळाखाली व भूखंडाखाली कमीजास्त असून तीनुसार मोहोरोव्हिसिक असांतत्य सीमाही कमीजास्त खोलीवर आढळते.]

भूचुंबकत्व : पृथ्वीवर असणाऱ्या चुंबकीय क्षेत्राचे स्पष्टीकरणही मध्याशी असणारा घन धातूरूपी लोहाचा गाभा आणि त्याच्यावर असणारा द्रवरूपी बाह्य गाभा यांमुळे चांगल्या प्रकारे करता येते.

पृथ्वीच्या अंतरंगासंबंधी निनिराळ्या मार्गांनी मिळालेल्या माहितीचे संकलन करून हॅरल्ड जेफ्रिज, के. ई. बुलेन, ई. सी. बुलर्ड आणि बी. ए. बोल्ट यांनी पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून तो मध्यापर्यंतच्या थरांचे सम्यक् चित्रण केले आहे.

संदर्भ : 1. Bullen, K. E. An Introduction to the Theory of Seismology, London, 1963.

2. Gutenberg, B. Ed. Internal constitution of the Earth, New York, 1952.

3. Holmes, A.Principles of Physical Geology, London, 1965.

4. Jeffreys, H. The Earth, London, 1970.

5. Strahler, A. The Earth Science, Tokyo, 1965.

लेखक: प्र. वि. सोवनी

माहिती स्रोत: मराठी विश्वकोश