A Földnek nagyjából négy rétege van: a szilárd kéreg kívül, a köpeny és a mag – amely a külső és a belső magra oszlik.
A kéreg
A kéreg mindaz, amit közvetlenül láthatunk és tanulmányozhatunk. A Föld legvékonyabb rétege, a kéreg még mindig átlagosan kb. 40 km hosszú, mélysége 5-70 km (~3-44 mérföld) között változik. De a bolygó léptékében ez kevesebb, mint egy alma héja.
A kéregnek két típusa van: a kontinentális és az óceáni kéreg. Az óceáni kéreg az óceánok fenekén vagy a kontinentális kéreg alatt található; általában keményebb és mélyebb, sűrűbb kőzetekből, például bazaltból áll, míg a kontinentális kéreg gránit típusú kőzeteket és üledékeket tartalmaz. A kontinentális kéreg vastagabb a szárazföldön.
A kéreg nem egy merev dolog, hanem több tektonikus lemezre oszlik. Ezek a tektonikus lemezek nem mozdulatlanok, hanem egymáshoz képest egymáshoz képest mozgásban vannak. A viszonytól és a geológiai környezettől függően háromféle tektonikus lemezhatár létezik: konvergens (az egyik a másik felé mozog), divergens (a másiktól távolodik) és transzformáns (oldalirányban mozog).
Ezek a lemezek a puha, plasztikus felső köpenyen “úsznak”.
A köpeny
A köpeny 2890 km mélyen húzódik, így ez a Föld legvastagabb rétege. A Föld térfogatának mintegy 84%-át teszi ki. Mindent, amit a köpenyről tudunk, közvetve tudjuk, mivel egyetlen emberi kutatásnak sem sikerült a földkéreg fölé hatolni. A legtöbb dolgot, amit a köpenyről tudunk, szeizmológiai vizsgálatokból ismerjük (erről később).
A köpenyt is több rétegre osztják, a szeizmológiai tulajdonságok alapján. A felső köpeny onnan, ahol a kéreg véget ér, körülbelül 670 km-ig terjed. Bár ezt a területet viszkózusnak tekintjük, úgy is tekinthetjük, hogy kőzetből – pontosabban peridotitnak nevezett kőzetből – képződött. Ez alatt az alsó köpeny 670 kilométertől majdnem 2900 kilométerig terjed a felszín alatt.
Mára alapvetően elfogadottá vált, hogy a köpeny nem állandósult állapotban van, hanem állandó mozgásban. Általános konvektív cirkuláció van, a forró anyag felfelé áramlik a felszín felé, a hűvösebb anyag pedig mélyebbre kerül. Általánosan úgy gondolják, hogy ez a konvekció valójában a kéreg lemeztektonikai keringését irányítja.
A legtöbb földrengés a felszínen, a kéregben keletkezik; ahogy a lemezek le- és felhúzódnak, feszültség keletkezik, és amikor ez a feszültség felszabadul, vagy amikor valami eltörik, földrengés keletkezik. Azonban a földrengések a köpenyben is történhetnek, és azoknál a nyomásoknál nem beszélhetünk törésről és törésről. A szubdukciós területeken, ahol az egyik sík a másik alá kerül, akár 670 km mélységben is megfigyeltek földrengéseket. Az e földrengések körüli mechanizmus még mindig nem teljesen tisztázott, de az egyik elmélet szerint egyes ásványok egyik állapotból a másikba kerülnek, és közben megváltozik a térfogatuk. Ez a térfogatváltozás vezethet földrengésekhez.
Mindenesetre egyre közelebb kerülünk a köpeny megértéséhez – még ha nem is jutunk el oda. Az utóbbi időben a kutatók közel kerültek ahhoz, hogy megismételjék a köpenyben uralkodó magas hőmérsékletet/nyomást, és magas szintű számítógépes modellek is feltárják néhány titkát.
A mag
A magot néha egy dologként emlegetjük, holott a belső és a külső mag alapvetően különböző – nem ugyanannak a dolognak a rétegei. A “szilárd” belső mag ~1.220 km sugarú, míg a “folyékony” külső mag ~3.400 km sugarúig terjed.
Várjunk csak, ha nem tudnánk a köpenybe menni, honnan tudnánk, hogy az egyik szilárd, a másik nem? Nos, mint korábban, a válasz ugyanaz: szeizmikus hullámok (már majdnem ott vagyunk).
A belső mag
A belső mag hőmérséklete és nyomása teljesen extrém, körülbelül 5400 °C (9800 °F) és 330-360 gigapascal (3 300 000-3 600 000 atm).
Az általános vélekedés szerint a belső mag nagyon lassan növekszik – ahogy a mag lehűl, a külső magból egyre több szilárdul meg és válik a belső mag részévé. A lehűlés sebessége nagyon alacsonynak gondolják, kb. 100 Celsius fok per milliárd év. Azonban még ez a lassú növekedés is jelentős hatással lehet a Föld mágneses terének létrehozására a folyékony külső mag dinamóhatása révén.
Igazán érdekes módon a belső mag aszimmetrikusnak tűnik a kelet-nyugati vonalon. Létezik egy modell, amely ezt az aszimmetriát az egyik oldalon történő olvadással, a másikon pedig kristályosodással magyarázza. Ez az anomália valószínűleg a Föld mágneses terét is befolyásolja, aszimmetriát hozva létre a kristályosodó oldalon.
A külső mag
A külső mag egy alacsony viszkozitású folyadék (körülbelül tízszerese a felszíni folyékony fémek viszkozitásának) – a “folyékony” meglehetősen helytelen kifejezés. Mivel nagyon alacsony a viszkozitása, könnyen deformálható és alakítható. Heves konvekció helyszíne. Azt is feltételezik, hogy nagyon heves konvekciós áramlatok érik – hé, és képzeld, mi van? A külső mag kavargása és relatív mozgása felelős a Föld mágneses teréért.
A külső mag legforróbb része valójában forróbb, mint a belső mag; a hőmérséklet elérheti a 6000 Celsius-fokot (10 800 Fahrenheit-fok) – olyan forró, mint a Nap felszíne.
Hogyan tudunk a Föld rétegeiről
A földkéregnek csak nagyon kis töredékét látjuk, ami önmagában is bolygónk kis töredéke – honnan tudjuk tehát mindezt?
Nos, a legjobb információforrásunk a szeizmikus hullámok. Amikor egy földrengés bekövetkezik, nyomáshullámokat szabadít fel, amelyek aztán az egész bolygón terjednek. Ezek a hullámok információt hordoznak magukkal azokból a rétegekből, amelyeken áthaladnak – beleértve a köpenyt és a magot is. A hullámok terjedésének tanulmányozásával A hullámok Földön keresztüli terjedésének tanulmányozásával megismerhetjük a Föld belsejének fizikai tulajdonságait. Egyes hullámok például csak szilárd közegben terjednek, míg mások szilárd és folyékony közegben is terjednek – így megmutathatják, hogy valamely réteg szilárd-e vagy sem. A szeizmikus hullámok a Föld belsejének keskeny szakaszait vizsgálják, így az általuk hordozott információt is elkülöníthetjük; több szeizmikus állomáson rögzített több földrengés elemzésével egy területről CAT scan-szerű elemzést készíthetünk.
A sugarak a környezet tulajdonságai alapján, amelyen áthaladnak, elhajlanak és visszaverődnek, és a hullám sebességét is befolyásolja a környezet.
A laboratóriumban végzett modern szimulációk megmutatták továbbá, hogy az ásványok valószínűleg hogyan viselkednek ilyen hőmérsékleten és nyomáson, és közvetett gravitációs és mágneses információkkal is rendelkezünk, valamint a felszínen található magma és kristályok vizsgálatával – de az információk nagy része a globális szeizmológiából származik. Egyszerűen elképesztő, hogy anélkül, hogy a közelébe sem mennénk, ennyi mindent tudunk a Föld rétegeiről.