Jak Powstaje Krajobraz Ziemi.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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: