[ Pobierz całość w formacie PDF ]
krajobraz Ziemi
Pot«ýne procesy zachodzce w g¸«bokich warstwach naszej planety
nie tylko przesuwaj po jej powierzchni duýe fragmenty skalistej pow¸oki,
ale takýe przemieszczaj w gr« i w d¸ ca¸e kontynenty
Michael Gurnis
AFRYKA
Jak powstaje
ni Ziemi odpowiedzialne s gwa¸towne
kolizje pomi«dzy p¸ytami tektonicznymi
Ð ruchomymi fragmentami zewn«trznej
skalistej warstwy naszej planety. I tak na
przyk¸ad pot«ýne Himalaje zrodzi¸y si« ze zderzenia
P¸wyspu Indyjskiego z ldem azjatyckim, a Andy
wzrasta¸y w miar« pogrýania si« dna pacyficznego
pod kontynentem po¸udniowoamerykaÄskim. Ale na-
wet ogromnymi si¸ami, jakie tkwi w tektonice p¸yt,
nie da si« wyjaæni w pe¸ni niektrych najwi«kszych
elementw rzeby naszej planety.
Spjrzmy na po¸udniow Afryk«. To jeden z naj-
pot«ýniejszych p¸askowyýw na Ziemi. Rozciga si«
na obszarze o ærednicy ponad 1.5 tys. km i wznosi
ærednio na wysokoæ 1500 m n.p.m. åwiadectwa geo-
logiczne pokazuj, ýe rejon ten Ð wraz z otaczajc go
skorup oceaniczn Ð wznosi si« powoli juý od
100 mln lat, chociaý od 400 mln lat nie wstrzsn«¸a
nim ýadna kolizja tektoniczna.
To wielkie afrykaÄskie wybrzuszenie (superswell)
jest tylko jednym z przyk¸adw pot«ýnych ruchw
pionowych, jakie kszta¸towa¸y znaczne obszary po-
wierzchni Ziemi. W odleglejszej przesz¸oæci geolo-
gicznej rwnie wielkie obszary Ð w Australii i Amery-
ce P¸nocnej Ð zapada¸y si« na g¸«bokoæ tysica i wi«-
cej metrw, by potem znw unieæ si« ku grze.
Naukowcy zajmujcy si« procesami zachodzcy-
mi wewntrz ziemskiego globu podejrzewali od daw-
na, ýe to tam w¸aænie tkwi przyczyna ruchw piono-
wych obserwowanych na powierzchni. Geofizycy
rozpocz«li wi«c poszukiwanie oznak takiej aktywno-
æci w p¸aszczu Ð warstwie rozdzielajcej jdro od litos-
fery. Ten obszar rozgrzanych, cz«æciowo roztopio-
nych ska¸ znajdujcych si« tuý pod dnem mozaiki p¸yt
tektonicznych, si«ga do g¸«bokoæci prawie 3 tys. km,
aý do granicy ýelazistej materii, z ktrej zbudowane
jest jdro planety. Dziæ wiemy, ýe zmiany tempera-
tury i ciænienia w p¸aszczu s przyczyn powolnych
ruchw mas skalnych, dzi«ki ktrym ska¸y te Ð na
przestrzeni tysi«cy lat Ð zachowuj si« na podobieÄ-
stwo g«stej, cz«æciowo up¸ynnionej melasy. Z poczt-
ku jednak nikt nie wiedzia¸, jak to przek¸ada si« na
powierzchniowe ruchy izostatyczne. Obecnie, dzi«-
ki zaawansowanym modelom komputerowym,
uwzgl«dniajcym zarwno stan obecny, jak i prze-
sz¸oæ geologiczn p¸aszcza, zaczynamy zdawa sobie
spraw«, dlaczego niektre fragmenty ziemskiej lito-
sfery podlega¸y i nadal podlegaj tak duýym ruchom
pionowym.
INDONEZJA
ZAGADKOWE RUCHY wznoszce i opadajce ca¸ych blokw kontynen-
talnych wielokrotnie zdarza¸y si« w przesz¸oæci Ziemi. Po¸udniowa Afry-
ka zosta¸a wyniesiona ponad 300 m w cigu ostatnich 20 mln lat, nato-
miast dzisiejsze wyspy Indonezji stanowi jedyn pozosta¸oæ po
istniejcym kiedyæ kontynencie. Naukowcy przypuszczaj, ýe przyczyny
tych pot«ýnych ruchw pionowych ukryte s g¸«boko we wn«trzu Ziemi.
Z
wykle uwaýa si«, ýe za rzeb« powierzch-
Tajemnica afrykaÄskiego wybrzuszenia okaza¸a si« stosunko-
wo ¸atwa do wyjaænienia. Juý w pierwszej po¸owie XX wieku
geofizycy zdali sobie spraw«, ýe w cigu niewyobraýalnie d¸u-
giego czasu geologicznego p¸aszcz nie tylko wykonuje powol-
ne ruchy, ale teý niekiedy wpada w drgania lub ko¸ysze si« ni-
czym wype¸niony g«st, wrzc zup garnek. Wzgl«dnie
niewielka g«stoæ rozgrzanych ska¸ sprawia, ýe materia¸ ten
unosi si« z wolna ku grze; natomiast ch¸odne, ci«ýsze ska¸y
opadaj, aý ciep¸o wydostajce si« z roztopionego jdra znw
je ogrzeje, tak aby ponownie mog¸y si« wznosi. Ruchy te, za-
chodzce w trjwymiarowej przestrzeni, zwane konwekcyjny-
mi, uznajemy za przyczyn« poziomego przesuwania si« p¸yt
litosferycznych. Ma¸o kto wierzy¸ jednak, by mog¸y powodowa
podnoszenie i opuszczanie si« powierzchni planety. Ten scep-
tycyzm zacz¸ jednak z wolna ust«powa, kiedy pojawi¸y si«
pierwsze, bardzo jeszcze niedok¸adne obrazy wn«trza Ziemi.
Oko¸o 20 lat temu naukowcy opracowali metod« wykony-
wania trjwymiarowych zdj« p¸aszcza dzi«ki pomiarom wi-
bracji wywo¸ywanych przez p¸ytkie trz«sienia ziemi. Pr«d-
koæ rozchodzenia si« tych wibracji, czyli fal sejsmicznych,
zaleýy od sk¸adu chemicznego, temperatury i ciænienia pa-
nujcych w ska¸ach. Fale staj si« wolniejsze w ska¸ach gor-
cych i o mniejszej g«stoæci, przyæpieszaj natomiast w mate-
rii g«stej i ch¸odniejszej. Znajc czas, jaki zabiera falom
sejsmicznym przejæcie od epicentrum trz«sienia do okreælonej
stacji pomiarowej na powierzchni, uczeni mog znale od-
powied na pytanie o temperatur« i g«stoæ panujce w da-
nym obszarze wn«trza planety. Nak¸adajc na siebie wykre-
sy pr«dkoæci rozchodzenia si« fal z tysi«cy stacji pomiarowych
rozsianych po ca¸ym globie, moýna utworzy mapy obrazu-
jce warunki panujce wewntrz p¸aszcza.
Takie obrazy sejsmiczne, coraz dok¸adniejsze w miar« do-
skonalenia si« aparatury pomiarowej, pozwoli¸y ostatnio uzy-
ska wgld w niýej po¸oýone rejony p¸aszcza Ð ujawni¸y tam
obecnoæ pot«ýnych formacji, ktrych nikt si« nie spodzie-
wa¸. Najwi«ksza tego typu struktura leýy bezpoærednio pod
po¸udniowym kraÄcem Afryki. Mniej wi«cej dwa lata temu
sejsmolodzy z California Institute of Technology: Jeroen Rit-
sema i Hendrik-Jan van Heijst, wyliczyli, ýe ta wielka struk-
tura o ærednicy wielu tysi«cy kilometrw, majca kszta¸t grzy-
ba, wznosi si« na wysokoæ oko¸o 1400 km od powierzchni
jdra [
ilustracja na ssiedniej stronie
].
Badaczy zaintrygowa¸o, czy ta ogromna wznoszca si« kro-
pla moýe wypycha ku grze ca¸y kontynent afrykaÄski. Zwa-
ýywszy, ýe jest to region o ma¸ej pr«dkoæci rozchodzenia si« fal
sejsmicznych, uznali, ýe musi by gor«tszy od ssiadujcych
z nim obszarw p¸aszcza. Wed¸ug prostych zasad konwekcji, ca-
¸a kropla musi wykazywa ruch wznoszcy. Ale zdj«cie sej-
smiczne rejestruje tylko pojedynczy moment (ãklatk«Ó), a wi«c
i jedn pozycj« w cig¸ym skdind ruchu struktury. Gdyby
na przyk¸ad okaza¸o si«, ýe kropla ma odmienny sk¸ad od ota-
czajcych j ska¸, mog¸aby Ð mimo swej wyýszej temperatury Ð
pozostawa bez ruchu. Aby to zbada, postanowiliæmy Ð wraz
z geofizykiem Jerrym X. Mitrovic z University of Toronto Ð
sporzdzi sekwencyjny (ãwieloklatkowyÓ) obraz zachodz-
cych tam procesw. Okreæliliæmy kszta¸t kropli, ustaliliæmy jej
przypuszczaln g«stoæ i pocztek wznoszenia si« po¸udnia
Afryki. Dane te wprowadziliæmy do programu komputerowe-
go symulujcego konwekcj« w p¸aszczu. Dzi«ki temu juý przed
rokiem wykazaliæmy, ýe struktura ta istotnie ma tendencj« do
powolnego ruchu wznoszcego w obr«bie p¸aszcza, a si¸a tego
ruchu wystarcza do podnoszenia mas ldowych Afryki.
Takie obrazy sejsmiczne i modele komputerowe Ð podsta-
wowe narz«dzia pracy geofizykw Ð pozwoli¸y wyjaæni za-
gadk« afrykaÄskiego wybrzuszenia. Na razie okaza¸y si«
jednak niewystarczajce, aby zrozumie ruchy wznoszce
i obniýajce w Australii i Ameryce P¸nocnej. Geofizycy ba-
dajcy jedynie dzisiejszy obraz p¸aszcza Ziemi nie mog do
koÄca zrozumie, jak aktywnoæ p¸aszcza wp¸yn«¸a na ukszta¸-
towanie g¸wnych elementw rzeby terenu. W swej pracy
musz odwo¸a si« do tradycyjnej perspektywy historycznej,
dokumentujcej nast«pujce w czasie geologicznym zmiany
na powierzchni planety.
Duchy przesz¸oæci
Pierwsze prby zrozumienia przyczyn pionowych podry-
gw Australii i Ameryki P¸nocnej podejmowano w latach
szeædziesitych XX wieku wraz z pozornie nie zwizanymi
badaniami dotyczcymi wp¸ywu g«stoæci p¸aszcza na ziem-
skie pole grawitacyjne. Podstawowe zasady fizyki sk¸oni¸y
wwczas badaczy do pogldu, ýe si¸a ciýenia powinna by
najmniejsza powyýej zbiornikw gorcych ska¸, ktre maj
zmniejszon g«stoæ, a przez to i mniejsz mas«. Kiedy jednak
uda¸o si« po raz pierwszy wykona map« zmian grawitacyj-
nych Ziemi, nie stwierdzono, aby pole grawitacyjne korelowa-
¸o w oczekiwany sposb z rozmieszczeniem mas ch¸odnych
i gorcych ska¸ w p¸aszczu.
WYNIESIENIA I OBNIûENIA na przezroczystej powierzchni na¸oýonej na map« æwiata uwidaczniaj zmiennoæ nat«ýenia ziem-
skiego pola grawitacyjnego. Punkty wyýej po¸oýone odpowiadaj ponadprzeci«tnej sile ciýenia (spowodowanej lokalnym nadmia-
rem masy na powierzchni planety), obszary obniýone znajduj si« nad regionami o niedostatku masy. Takie rýnice w sile grawitacji wska-
zuj na zaburzenia rozk¸adu mas w p¸aszczu Ziemi.
26 å
WIAT
N
AUKI
Maj 2001
AFRYKA
AMERYKA PîüNOCNA
GORCE SKAüY
(AFRYKAÁSKI
SUPERPIîROPUSZ)
PüASZCZ
ZIMNE SKAüY
(PüYTA FARALLON)
JDRO ZEWN¢TRZNE
JDRO WEWN¢TRZNE
ZIMNE SKAüY
(ZAPADLISKO INDONEZYJSKIE)
OBRAZ PüASZCZA ZIEMI jest efektem tysi«cy pomiarw pr«dkoæci rozchodzenia si« fal sejsmicznych w rýnych ærodowiskach we-
wntrz planety. Fale rozchodz si« zazwyczaj szybko
(niebieski)
w zimnych i g«stych ska¸ach, natomiast wolno
(ý¸ty)
Ð w ska¸ach go-
rcych i mniej g«stych. Pod po¸udniow Afryk i po¸udniowym Atlantykiem wyst«puje obszar, gdzie fale sejsmiczne zwalniaj.
Jest to wznoszcy si« ãbbelÓ gorcych ska¸, zwany afrykaÄskim superpiropuszem. Widoczny jest rwnieý pas zimnych ska¸ pogr-
ýajcych si« pod kontynentem p¸nocnoamerykaÄskim i wyspami Indonezji.
Co gorsza, na prze¸omie lat siedemdziesitych i osiemdzie-
sitych Clement G. Chase stwierdzi¸, ýe jest odwrotnie. Gdy
Chase, dziæ pracujcy w University of Arizona, zbada¸ dok¸ad-
nie sytuacj« na przestrzeni ponad 1500 km, doszed¸ do wniosku,
ýe si¸a grawitacji ma najwi«ksz wartoæ nie ponad zimnym
p¸aszczem, ale nad izolowanymi obszarami wulkanicznymi,
zwanymi gorcymi punktami (nikt nie zwrci¸ wczeæniej uwa-
gi na t« zaleýnoæ ze wzgl«du na niezmiernie wysok zmiennoæ
pola grawitacyjnego w tych regionach). Moýe jeszcze wi«kszym
zaskoczeniem by¸o stwierdzenie obecnoæci d¸ugiego pasa ob-
niýonej grawitacji, cigncego si« od Zatoki Hudsona w Kana-
dzie przez biegun p¸nocny w poprzek Syberii oraz P¸wyspu
Indyjskiego i dalej na po¸udnie aý do Antarktydy. Opierajc si«
na analizie przypuszczalnego rozmieszczenia dawnych p¸yt li-
tosfery (od 125 mln lat), zauwaýy¸, ýe pas ten odpowiada loka-
lizacji stref (paleo) subdukcji Ð tzn. obszarw, gdzie p¸yty tek-
toniczne unoszce fragmenty skorupy oceanicznej zanurza¸y
si« w p¸aszczu. Narzuca¸o si« przypuszczenie, ýe ãduchyÓ daw-
nych stref subdukcji powodowa¸y zmniejszenie si¸y grawitacji.
Ale przecieý jeæli te zimne i g«ste fragmenty dna oceanicznego
znajduj si« wciý w gorcych masach p¸aszcza, to pole grawi-
tacji powinno by ponad nimi szczeglnie intensywne, a nie
obniýone. Coæ tu si« nie zgadza¸o.
W po¸owie lat osiemdziesitych geofizyk Bradford H. Ha-
ger, obecnie zatrudniony w Massachusetts Institute of Tech-
nology, poda¸ rozwizanie tego pozornego paradoksu, za-
uwaýajc, ýe w warunkach podobnych do tych, ktre bada¸
Chase, mog tworzy si« w p¸aszczu ogniska zag«szczonej
lub rozrzedzonej materii. Hager opracowa¸ sw teori« na pod-
stawie procesw zachodzcych w ærodowisku p¸ynnym Ð
a tak w¸aænie moýna traktowa masy p¸aszcza w odpowied-
nio d¸ugich odcinkach czasu. Kiedy p¸yn o ma¸ej g«stoæci uno-
si si« ku grze, jak w przypadku najgor«tszych partii p¸asz-
cza, przeciska si« ponad zimniejsze, a wi«c i g«stsze masy.
Tak dochodzi do zdwojenia mas, co znajduje odzwierciedle-
nie na powierzchni w postaci zwi«kszonej si¸y grawitacji.
Analogicznie dojæ moýe do obniýenia si¸y grawitacji ponad
ogniskami zimnej i g«stej materii w p¸aszczu: zanurzajce si«
masy powoduj ubytek materii, ktra wczeæniej by¸a w pobli-
ýu powierzchni Ziemi. Ta koncepcja t¸umaczy, dlaczego ãdu-
chyÓ dawnych stref subdukcji mog powodowa powstanie
pasw obniýonej grawitacji: cz«æ porwanych p¸atw zimnej
skorupy oceanicznej musi najwyraniej zanurza si« wciý
w p¸aszczu, uginajc zarazem nad sob powierzchni« plane-
ty. Jeæli pogldy Hagera odpowiadaj rzeczywistoæci, w p¸asz-
czu zachodz nie tylko ruchy poziome pod litosfer, ale ca¸e
jego fragmenty mog przeciska si« ku grze aý do powierzch-
ni. A wwczas dochodzi¸oby teý do wynoszenia duýych ob-
szarw ldowych, i odwrotnie Ð regiony ldowe leýce po-
nad pogrýajcymi si« ogniskami wyginane by¸yby ku do¸owi.
Podrygujce kontynenty
W tym samym czasie, gdy Chase i Hager odkrywali me-
chanizm, ktry t¸umaczy¸ nawet gwa¸towne ruchy pionowe
skorupy ziemskiej, geolodzy zacz«li dokumentowa æwia-
dectwa wskazujce, ýe tego typu pionowe ruchy kontynentw
naprawd« zachodzi¸y w przesz¸oæci. Formacje osadowe na
ca¸ym æwiecie zawieraj niezliczone dowody æwiadczce o nie-
ustannych fluktuacjach poziomu morza w czasie geologicz-
nym. Wi«kszoæ geologw uwaýa¸a, ýe fluktuacje te zazna-
cza¸y si« na wszystkich ldach jednoczeænie. Zdarzali si«
å
WIAT
N
AUKI
Maj 2001
27
jednak tacy, ktrzy twierdzili, ýe najpot«ýniejsze z tych ru-
chw s wynikiem podnoszenia si« i opadania samych kon-
tynentw. Kiedy, powiedzmy, jeden z ldw ulega¸ wyniesie-
niu wzgl«dem pozosta¸ych kontynentw, morze na jego
brzegach cofa¸o si« (nastpi¸a regresja), podczas gdy oglny
poziom wd oceanicznych pozostawa¸ bez zmiany.
Wi«kszoæ geologw sceptycznie przyjmowa¸a pogld
o moýliwoæci pionowych ruchw kontynentw Ð nawet ww-
czas gdy na pocztku lat siedemdziesitych pojawi¸y si«
pierwsze doniesienia o dziwacznych podskokach Australii
w przesz¸oæci geologicznej. John J. Veevers, geolog z Mac-
quarie University w Sydney, bada¸ ods¸oni«cia dawnych ska¸
we wschodniej Australii i stwierdzi¸, ýe we wczesnej kredzie
(oko¸o 130 mln lat temu) p¸ytkie morze nagle zala¸o ca¸ t«
cz«æ kontynentu. Jednoczeænie transgresja na innych ldach
zachodzi¸a w znacznie wolniejszym tempie. Maksimum æwia-
towej transgresji przypad¸o dopiero pod koniec okresu kredo-
wego (oko¸o 70 mln lat temu) Ð w tym czasie ocean wycofa¸
si« juý z australijskich brzegw. Wyglda¸o wi«c na to, ýe
wschodnia cz«æ kontynentu najpierw zapad¸a si« na g¸«bo-
koæ wieluset metrw wzgl«dem wszystkich pozosta¸ych l-
dw, a potem zosta¸a na powrt wyniesiona, zanim globalny
poziom morza zacz¸ opada.
Myæl Veeversa o podrygujcych kontynentach okaza¸a si«
tylko cz«æciowo s¸uszna w odniesieniu do powik¸anych losw
Australii. W roku 1978 geolog Gerard C. Bond, dziæ pracujcy
w Lamont-Doherty Earth Observatory w Columbia University,
odkry¸ jeszcze dziwniejsze zachowanie mas ldowych. Okaza-
¸o si«, ýe po tym, jak w okresie kredowym Australia najpierw
si« zanurzy¸a, a nast«pnie wydwign«¸a, dosz¸o w erze kenozo-
icznej do ponownego zapadni«cia kontynentu Ð tym razem
o 200 m. Nie umiemy w rozsdny sposb, opierajc si« na za-
¸oýeniach tektoniki p¸yt, wyjaæni tak nietypowych zjawisk geo-
logicznych. Aby tego dokona, trzeba b«dzie po¸czy dotych-
czasow wiedz« z now teori Hagera na temat wp¸ywu
p¸aszcza Ziemi na ukszta¸towanie powierzchni naszej planety.
Pierwszym powaýnym krokiem w tym kierunku by¸o roz-
pracowanie innego przypadku opisywanych przez Bonda
kontynentalnych podrygw. Pod koniec lat osiemdziesitych
Christopher Beaumont, geolog z Dalhousie University w No-
wej Szkocji, poczyni¸ zastanawiajc obserwacj« dotyczc
po¸oýenia Denver w stanie Kolorado. Chociaý miasto znaj-
PROCESY Z Gü¢BI ZIEMI
POGRûAJCY SI¢ KONTYNENT
PODNOSZCY SI¢ POZIOM MORZA
STREFA SUBDUKCJI
W miejscu wsuwania si«
jednej p¸yty pod drug
tworzy si« rw oceaniczny
DLACZEGO KONTYNENTY
SI¢ ZAPADAJ
Oderwany fragment pogrýajcej
si« p¸yty zaczyna opada w g¸b
p¸aszcza. Jest jednak zbyt
zimny i g«sty, by zmiesza si«
z otaczajcymi ska¸ami.
W miar« pogrýania si«
p¸yta pociga za sob masy
kontynentu leýce wyýej
POGRûAJCA SI¢
PüYTA
TEKTONICZNA
PüASZCZ
Warstwa rozgrzanych ska¸
pomi«dzy p¸ytami litosferycznymi
a jdrem ýelazistym
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

slaveofficial.keep.pl