Tektonika i diamenty czyli co porusza kontynenty?

Tektonika kier (płyt) kontynentalnych to obowiązujący obecnie paradygmat w naukach geologicznych, poparty wieloma obserwacjami. Dzięki satelitom GPS możemy obserwować ruch kontynentów w czasie rzeczywistym. W zasadzie wszystko jest jasne. Skorupa oceaniczna tworzy się w grzbietach śródoceanicznych zwanych strefami przyrostu dna oceanicznego, spredingu oceanicznego (spreading seafloor zones) lub strefami ryftu, po czym zapada się na krańcach oceanu, zanurzając się pod lżejszą płytę kontynentalną w tzw. strefie subdukcji. Prowadzi to do ciągłego ruchu kontynentów.
Wszystko super, ale tylko teoretycznie.

Tak naprawdę, powyższy model sprawdza się jedynie w przypadku Oceanu Spokojnego. Atlantyk i Ocean Indyjski pozbawione są w zasadzie stref subdukcji. Wygląda to tak, jakby Afryka stała w miejscu, a jedynie grzbiety atlantycki i indyjski odsuwały się od niej, popychając wszystkie kontynenty przed sobą, aż do Pacyfiku lub zderzenia z Eurazją. Sprawę komplikuje jeszcze fakt, że przecież wschodnia część Afryki też odsuwa się od reszty kontynentu, co możemy obserwować w dolinach ryftowych Wielkich Rowów Afrykańskich. Osobnym problemem są plamy gorąca (hot spots), które występują na Ziemi w stałych miejscach, niezależnie od stref ryftowych, jakby ich ruch kontynetów nie dotyczył. Jak sobie z tym poradzić?

Rozmyślania należy rozpocząć od zebrania kilku podstawowych danych. Po pierwsze, dlaczego w ogóle dno oceaniczne przyrasta? Żeby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba było zaglądnąć pod skorupę oceaniczną, do wnętrza Ziemi i zobaczyć jak jest zbudowana. Oczywiście, tak głęboko jeszcze się nie dowierciliśmy, więc skorzystano z innych metod.

 

Rozchodzenie się fal sejsmicznych we wnętrzu Ziemi; P - fale podłużne; S - fale poprzeczne

Z pomocą przyszły fale sejsmiczne wywoływane przez trzęsienia ziemi. Z grubsza można je podzielić na fale podłużne i poprzeczne. Obie rozchodzą się z różną prędkością. Szczególnie ważne jest także to, że fale podłużne mogą się rozchodzić we wszystkich ośrodkach, a fale poprzeczne tylko w ośrodkach o stałym stanie skupienia (skałach). Fale podłużne są o ok. 10% szybsze od poprzecznych. Pomiary rozchodzenia się fal sejsmicznych we wnętrzu Ziemi ujawniły jej wewnętrzną budowę. Okazało się, że pod skorupą oceaniczną jest płaszcz ziemski zbudowany z uplastycznionych skał, a pod nim jądro Ziemi. Jądro ma swoją płynną część zewnętrzną, która stanowi barierę dla rozchodzenia się poprzecznych fal sejsmicznych.

Całość procesów dotyczących przyrostu dna oceanicznego rozgrywa się w płaszczu ziemskim. Ponieważ przyrost ten odbywa się poprzez wydostawanie się gorącej magmy z wnętrza Ziemi w postaci tzw. pióropuszy płaszcza, odpowiedzialnością obarczono konwekcję w płaszczu. Konwekcja tłumaczyła też grzęźnięcie zimnej skorupy oceanicznej w płaszczu, która opadając w stronę jądra, stopniowo się ogrzewa, po czym znów konwekcyjnie unosi i wydostaje na powierzchnię w strefach ryftu. Wszystko to odbywa się w olbrzymich komorach konwekcyjnych w płaszczu ziemskim. Wyszedł piękny model, prawda? Tylko co z konwekcją pod Atlantykiem skoro nie ma tam stref subdukcji? A plamy gorąca?

Konwekcję w płaszczu pod Atlantykiem odłóżmy na razie na bok. Zajmijmy się plamami gorąca. Najsłynniejszą chyba plamą gorąca jest hawajski hot spot. Wydostająca się z niej magma wychodzi na powierzchnię przez kratery hawajskich wulkanów, a przesuwająca się nad plamą gorąca płyta spowodowała, że mamy cały archipelag wysp hawajskich. Najstarsze, to pozostałości po nieczynnych już wulkanach, gdyż odpłynęły już sponad hawajskiej plamy gorąca. Wniosek z Hawajów jest prosty. Plamy gorąca nie przemieszczają się. To skorupa ziemska porusza się względem nich.

 Jak powiązać nieruchome plamy gorąca z pióropuszami płaszcza? Jeśli mechanizm wydostawania się gorącej magmy z płaszcza jest ten sam, to musi być jakieś wspólne rozwiązanie.

Trzeba zatem sięgnąć do historii Ziemi i prześledzić ruch kontynentów. Jeśli plamy gorąca nie przemieszczają się, powinnyśmy odnaleźć wygasłe wulkany, które powstały, kiedy skorupa znajdowała się ponad plamą. Przesuwając kontynenty do ich położenia z okresu powstania wulkanu nad hot spotem, otrzymamy lokalizację plam gorąca na przestrzeni dziejów.
Rozwiązania dostarczają diamenty.

Diamenty tworzą się pod wpływem ogromnego ciśnienia, ponad 150 km pod powierzchnią, w obrębie płaszcza ziemskiego. Niektóre z diamentów mogły powstać nawet na głębokościach rzędu 660-1700 km. Na powierzchnię wynoszone są w kominach skał wulkanicznych zwanych kimberlitami, stowarzyszonych często z plamami gorąca. Znanych jest kilkanaście tysięcy kimberlitów, ale najsłynniejsze są te położone pod starymi częściami skorupy ziemskiej (kratonami, np. w RPA). Po zestawieniu lokalizacji kimberlitów z uwzględnieniem ruchu kontynentów, okazało się, że większość z nich występuje w pobliżu dużych prowincji magmowych, czyli miejsc gdzie w przeszłości dochodziło do intensywnego wulkanizmu.

Miejsca te nazwano strefą tworzenia się plam (pióropuszy) gorąca (Plum Generation Zone - PGZ) (Torsvik et al., 2010). Najciekawsze dla naszych rozważań jest to, że strefa tworzenia się plam gorąca (nie lubię określenia pióropuszy gorąca) otacza głównie Afrykę! Ale jeszcze ciekawsze jest to, że druga taka strefa umieszczona jest symetrycznie, po drugiej stronie globu, pod obecnym Pacyfikiem! (Fig. 1).

Fig. 1. Obszary gwałtownego zwolnienia fal poprzecznych Tuzo i Jason. Prędkość fali podana w skali poziomej (dVs). PGZ - strefa tworzenia się pióropuszy gorąca; LIP - duża prowincja magmowa; gwiazdka w żółtym kółeczku - aktywne wulkany na plamach gorąca (wg Burke'a, 2011).

Uwzględniając ruch kontynentów, okazało się, że większość dużych prowincji magmowych w przeszłości, np. permskie trapy syberyjskie, umieszczona była dokładnie we wspomnianej strefie (Torsvik et al., 2010).
Na dobitkę dodam, że strefy tworzenia się plam (pióropuszy) gorąca otaczają rozległe obszary cechujące się gwałtownym zwalnianiem fal poprzecznych na pograniczu płaszcza i jądra ziemskiego. Obszary wyhamowania fal poprzecznych nazwano Tuzo (Afryka) i Jason (Pacyfik) (Burke, 2011) (Fig. 1).

Patrząc na przekrój przez Ziemię, uwzględniający strefy Tuzo i Jasona, jasne staje się co napędza tektonikę kier. Tuzo i Jason powodują wybrzuszenie geosfery ziemskiej i dzięki nim wszystko, co jest na zewnątrz Afryki, niejako spływa ku obniżonym miejscom. Ryft śródatlantycki generowany jest w strefie tworzenia się plam gorąca wokół Afryki. Właściwie fig. 2 jest tak wymowna, że nie wymaga komentarza.

Fig. 2. Z cyklu niesamowite przekroje, przekrój przez Ziemię na wysokości równika. Widać stałe jądro wewnętrzne (inner core), płynne jądro zewnętrzne (outer core), dolny płaszcz ziemski (lower mantle), górny płaszcz (upper mantle). Pomiędzy strefami Jason i Tuzo występują strefy grzęźnięcia płaszcza ziemskiego (sinking mantle), który schodzi do powierzchni jądra (wg Burke'a, 2011).

Sprawa istnienia Tuzo i Jasona staje się genialnie oczywista, jeśli przeglądniemy mapy paleogeograficzne. Okazuje się, że Tuzo i Jason istnieją już od proterozoiku i wszystko na Ziemi kręciło się wokół nich (Torsvik et al., 2010). Cała tektonika kier. Ich rozmieszczenie na wysokości równika, na antypodach, sprawia wrażenie, że powstały one w wyniku ruchu obrotowego Ziemi.

Źródła:
1. Burke, K. (2011). Plate Tectonics, the Wilson Cycle, and Mantle Plumes: Geodynamics from the Top Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 39 (1), 1-29 DOI: 10.1146/annurev-earth-040809-152521
2. Torsvik, T., Burke, K., Steinberger, B., Webb, S., & Ashwal, L. (2010). Diamonds sampled by plumes from the core–mantle boundary Nature, 466 (7304), 352-355 DOI: 10.1038/nature09216 
3. Post o przyszłych kontynentach Następna Pangea
4. Fig. w nagłówku: Wiek dna oceanicznego - NOAA Public Domain

ps. Tuzo i Jason nawiązują do imion  Jasona Morgana i Johna Tuzo Wilsona, słynnych geofizyków (szczególnie Wilson zasłynął jako twórca tzw. cyklu Wilsona). Burke (2011) utworzył te nazwy jako akronim od zwrotów The Unmoved Zone Of Earth's deep mantle (TUZO) oraz Just As Stable ON the opposite meridian (JASON).

Posted in: planeta,tektonika,trzęsienia ziemi,Ziemia