بیشتر دانش ما در مورد ساختار زمین از مطالعه زمین لرزه ها به دست می آید. هر زمین لرزه امواج را به همه جهات می فرستد، مانند روشی که انداختن سنگ در دریاچه امواج را از طریق آب می فرستد. به این امواج زلزله، امواج لرزه ای می گویند. مشاهده این امواج لرزه ای هنگام حرکت در زمین به دانشمندان ایده ای از مواد مختلفی که امواج در آنها حرکت می کنند، می دهد.
دو نوع امواج لرزه ای وجود دارد: امواج S و امواج P. این امواج هنگام عبور از انواع مختلف مواد رفتار متفاوتی دارند. درست مانند یک موج صوتی وقتی که به جای هوا از آب عبور می کند، رفتار متفاوتی دارد. امواج لرزه ای زمانی که از فازهای مختلف ماده عبور می کنند، رفتار متفاوتی دارند. دانشمندان می‌دانند که امواج P از تمام انواع مواد عبور می‌کنند، اما امواج S از طریق مایع عبور نمی‌کنند.
زمین از چندین لایه تشکیل شده است. هر لایه ویژگی های مشخصه خود را دارد. دانشمندان در مورد لایه های زمین به دو صورت فکر می کنند - از نظر ترکیب شیمیایی و از نظر خواص فیزیکی.
بر اساس ترکیب شیمیایی، زمین را می توان به سه لایه به سمت بیرون از مرکز زمین تقسیم کرد: هسته، گوشته و پوسته.
بیرونی ترین لایه جامد زمین پوسته نام دارد. بالای گوشته قرار دارد و پوسته بیرونی سخت زمین است. پوسته سطحی است که ما در آن زندگی می کنیم.
پوسته 0-32 کیلومتر (0-19.8 مایل) است. در رابطه با لایه های دیگر، پوسته نازک ترین و کم تراکم ترین لایه است. روی گوشته نرم تر و متراکم تر شناور است. پوسته از سنگ جامد تشکیل شده است اما این سنگ ها در سراسر جهان یکسان نیستند.
دو نوع عمده پوسته وجود دارد:
پوسته اقیانوسی یک لایه نازک (حدود 5 کیلومتر) است که در زیر اقیانوس ها یافت می شود. با وجود اینکه نسبتاً نازک است، متراکم ترین نوع پوسته است و از سنگی دگرگونی به نام بازالت تشکیل شده است.
پوسته قاره ای قاره ها را تشکیل می دهد و در بالای پوسته اقیانوسی قرار دارد. در مقایسه با پوسته اقیانوسی، پوسته قاره ای ضخیم تر است (30 کیلومتر). پوسته قاره ای از سنگ هایی با چگالی کمتر مانند گرانیت تشکیل شده است. اگرچه پوسته قاره‌ای چگالی کمتری دارد، اما بسیار ضخیم‌تر از پوسته اقیانوسی است، زیرا شامل سنگ‌هایی است که قاره‌ها را تشکیل می‌دهند.
از آنجایی که زمین در داخل بسیار داغ است، جریان گرمایی از هسته به پوسته جریان دارد. به این جریان همرفتی می گویند. این جریان با نزدیکتر شدن به سطح زمین سرد می شود. این جریان همرفتی در امتداد کف پوسته باعث حرکت صفحات تکتونیکی می شود. حرکت ثابت صفحات را تکتونیک صفحه می نامند. حرکت این صفحات بسیار آهسته است اما وقتی با هم برخورد می کنند باعث زلزله می شود. ترکیب جریان های همرفتی از گوشته و اثرات جو باعث می شود که پوسته در حدود 0-1598 درجه فارنهایت از سطح تا پایین پوسته باشد. پوسته و جو سردترین لایه های زمین هستند.
پوسته در طبیعت شکننده است. نزدیک به 1 درصد از حجم زمین و 0.5 درصد از جرم زمین از پوسته تشکیل شده است. عناصر اصلی تشکیل دهنده پوسته سیلیس (Si) و آلومینیوم (Al) هستند و بنابراین، اغلب به عنوان SIAL نامیده می شود.
ناپیوستگی بین هیدروسفر و پوسته ناپیوستگی کنراد نامیده می شود.
لایه زیر پوسته و بالای هسته گوشته است. ضخامت آن تقریباً 2900 کیلومتر است. تقریباً 84 درصد از حجم زمین و 67 درصد از جرم زمین را گوشته اشغال کرده است. گوشته دارای چگالی متوسط 4.5g∕ cm3 است. چگالی با افزایش عمق افزایش می یابد زیرا فشار افزایش می یابد.
ناپیوستگی بین پوسته و گوشته را ناپیوستگی موهورویچ یا ناپیوستگی موهو می نامند.
گوشته عمدتاً از سنگ های جامد ساخته شده از سیلیکون و منیزیم تشکیل شده است و از این رو به آن SIMA می گویند. در اعماق گوشته، سنگ ها از منیزیم و آهن تشکیل شده اند. دلیل دیگر اینکه گوشته با عمق متراکم تر می شود این است که سنگ ها در این سطح حاوی آهن هستند و آهن از مواد لایه های بالایی گوشته متراکم تر است.
گوشته زمین در اعماق مختلف دماهای متفاوتی دارد. دمای گوشته با عمق افزایش می یابد. بین 1598-3992 درجه فارنهایت متغیر است. بالاترین دما در جایی رخ می دهد که ماده گوشته با هسته تولید کننده گرما در تماس باشد. گوشته گرمای زیادی را در خود نگه می دارد که در سراسر گوشته در فضاهایی به نام سلول های همرفتی به گردش در می آید. حرکت گرما می تواند باعث جابجایی صفحات کف دریا و قاره ها شود. در طی میلیون ها سال، صفحات زمین می توانند بسیار حرکت کنند. وقتی این جابجایی ها به سرعت اتفاق می افتد، ما زلزله را تجربه می کنیم.
این افزایش مداوم دما با عمق به عنوان گرادیان زمین گرمایی شناخته می شود. گرادیان زمین گرمایی مسئول رفتارهای مختلف سنگ است. از رفتارهای مختلف سنگ برای تقسیم گوشته به دو ناحیه مختلف استفاده می شود. سنگ های گوشته بالایی سرد و شکننده هستند، در حالی که سنگ های گوشته پایینی گرم و نرم هستند اما مذاب نیستند. سنگ های گوشته بالایی به اندازه کافی شکننده هستند که تحت تنش شکسته شوند و زلزله ایجاد کنند. با این حال، سنگ های گوشته پایینی نرم هستند و به جای شکستن، در معرض نیرو قرار می گیرند.
بالاترین بخش جامد گوشته و کل پوسته لیتوسفر را تشکیل می دهد.
استنوسفر (در فاصله بین 80 تا 200 کیلومتر) ناحیه ای بسیار چسبناک، از نظر مکانیکی ضعیف و شکل پذیر و تغییر شکل دهنده گوشته بالایی است که درست در زیر لیتوسفر قرار دارد. استنوسفر منبع اصلی ماگما است و لایه‌ای است که صفحات لیتوسفر/صفحات قاره‌ای روی آن حرکت می‌کنند (تکتونیک صفحه).
ناپیوستگی بین گوشته بالایی و گوشته پایینی به نام Repetti Discontinuity شناخته می شود.
بخشی از گوشته که درست در زیر لیتوسفر و استنوسفر اما بالای هسته قرار دارد، مزوسفر نامیده می شود.
قسمت داخلی زمین هسته است. این قسمت از زمین حدود 2900 کیلومتر زیر سطح زمین قرار دارد. هسته توسط ناپیوستگی گوتنبرگ از گوشته جدا می شود.
هسته عمدتاً از آهن (Fe) و نیکل (Ni) تشکیل شده است و از این رو به آن NIFE نیز می گویند. هسته نزدیک به 15 درصد از حجم زمین و 32.5 درصد از جرم زمین را تشکیل می دهد. این متراکم ترین لایه زمین است که چگالی آن بین 9.5 تا 14.5 گرم در سانتی متر مکعب است.
پس از مشاهده سرعت امواج P و امواج S، دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که مرکز زمین به دو لایه تقسیم می شود - هسته بیرونی و هسته داخلی.
هسته بیرونی مایع است زیرا دما به اندازه ای بالاست که فلزات آهن و نیکل را ذوب کند. هسته خارجی حدود 2900 کیلومتر زیر سطح شروع می شود و حدود 2300 کیلومتر ضخامت دارد. از آنجایی که زمین می چرخد، هسته بیرونی به دور هسته داخلی می چرخد و این باعث مغناطیس زمین می شود. هزاران و هزاران سال است که دریانوردان از مغناطیس برای یافتن راه خود بر روی زمین استفاده کرده اند. مغناطیس همچنین بر ذرات خارج از جو زمین تا فاصله بیش از 60000 کیلومتری فضا تأثیر می گذارد. هسته بیرونی حدود 3992-9032 درجه فارنهایت است. چگالی هسته خارجی بین 10 گرم بر سانتی متر مکعب و 12.3 گرم بر سانتی متر مکعب است.
هسته داخلی 5150 کیلومتر (3200 مایل) زیر سطح زمین است. هنوز هم باید حدود 1300 کیلومتر (808 مایل) بیشتر برای رسیدن به مرکز سفر کرد. دما در هسته داخلی حدود 5000 - 6000 درجه سانتیگراد (9032 - 10832 درجه فارنهایت) است. از همان مواد هسته بیرونی ساخته شده است اما به دلیل فشار زیاد، هسته داخلی جامد است. در اینجا، فشار فوق العاده ای که توسط وزن سنگ های پوشاننده ایجاد می شود، به اندازه ای قوی است که اتم ها را محکم به هم فشرده می کند و از حالت مایع جلوگیری می کند. این فشار بالا و فلزات متراکم در هسته، چگالی آن را 13g∕cm 3 می کند.
ناپیوستگی بین هسته بالایی و هسته پایینی ناپیوستگی لمان نامیده می شود.
زمین نیز بر اساس ویژگی های فیزیکی مانند جامد یا مایع بودن لایه به لایه ها تقسیم می شود.
پنج لایه فیزیکی عبارتند از لیتوسفر، استنوسفر، مزوسفر، هسته بیرونی و هسته داخلی.
1. لیتوسفر - خارجی ترین لایه سنگ جامد موجود در سطح زمین، لیتوسفر است. این شامل پوسته و جامد، بالاترین قسمت گوشته است. چگالی آن نسبتاً کمتر از سایر لایه های فیزیکی زمین است. لیتوسفر به قطعاتی به نام صفحات تکتونیکی تقسیم می شود.
2. آستنوسفر - استنوسفر در زیر لیتوسفر یافت می شود و لایه ای از یک گوشته ضعیف یا نرم ساخته شده از سنگ جامد است که بسیار آهسته حرکت می کند. در زیر لیتوسفر قرار دارد. صفحات تکتونیکی در بالای استنوسفر حرکت می کنند.
3. مزوسفر - قسمت قوی و پایینی گوشته مزوسفر نامیده می شود. سنگ در مزوسفر کندتر از سنگ در استنوسفر جریان دارد. مزوسفر بسیار متراکم تر از استنوسفر است.
4. هسته بیرونی - هسته بیرونی لایه مایع هسته زمین است. هسته بیرونی زیر گوشته قرار دارد و هسته داخلی را احاطه کرده است.
5. هسته داخلی - هسته داخلی مرکز جامد و متراکم سیاره ما است. هسته داخلی از پایین هسته بیرونی تا مرکز زمین امتداد دارد.
لیتوسفر و استنوسفر با پوسته و گوشته یکسان نیستند. پوسته و گوشته لایه های ترکیبی زمین هستند. لیتوسفر و استنوسفر لایه های فیزیکی هستند. لیتوسفر شامل پوسته و جامدترین قسمت گوشته است. پوسته نازک‌تر از لیتوسفر است و حاوی مواد سنگی است که سرشار از سیلیس است و چگالی آن بسیار کمتر از مواد سنگی در لایه‌های دیگر زمین است. استنوسفر یک لایه نیمه جامد بین لیتوسفر جامد و مزوسفر است.
استنوسفر مایع نیست. مواد سنگی که استنوسفر را تشکیل می دهند، انعطاف پذیر هستند، به این معنی که می توان آن را به آرامی کشید. استنوسفر به دلیل گرمای شدید درون زمین انعطاف پذیر است. همانطور که مواد سنگی در قسمت پایینی استنوسفر گرم می شود، به آرامی بالا می رود. با بالا آمدن، شروع به سرد شدن می کند و دوباره فرو می رود. بنابراین، مواد سنگی در استنوسفر در سلول‌های همرفتی عظیم گردش می‌کنند. این سلول های همرفتی باعث حرکت صفحه تکتونیکی می شوند. صفحات لیتوسفری که بر روی استنوسفر قرار دارند، با جریان آهسته آستنوسفر همراه می شوند. حرکت صفحات لیتوسفر باعث ایجاد زلزله و آتشفشان می شود.
