Litosferos plokščių tektonika

Pažvelkite į pasaulio žemėlapį. Ar kada nors pastebėjote, kaip Pietų Amerikos rytinė pakrantė atrodo stebėtinai panaši į Afrikos vakarinę pakrantę? Tarsi milžiniškos dėlionės dalys, kurias kažkas atskyrė. O gal susimąstėte, kaip jūros gyvūnų fosilijos atsidūrė aukščiausio pasaulio kalno – Everesto – viršūnėje? Arba kodėl galingiausi žemės drebėjimai ir ugnikalniai koncentruojasi tam tikrose siaurose juostose, o kitur – visiška ramybė?

Šimtmečius šie klausimai nedavė ramybės mokslininkams. Atsakymai atrodė neįmanomi, kol XX amžiuje gimė viena didžiausių ir svarbiausių mokslo teorijų – litosferos plokščių tektonikos teorija. Tai ne tik teorija, tai – pagrindinis raktas, atrakinantis beveik visas Žemės geologijos paslaptis.

Šioje pamokoje leisimės į kelionę, kurioje suprasime, kad kietas paviršius, kuriuo vaikštome, nėra vientisas. Jis sudaužytas į milžiniškas plokštes, kurios lėtai, bet nenumaldomai juda, plaukiodamos ant karštos, plastiškos mantijos. Būtent šis judėjimas ir sukuria didingus kalnus, giliausias vandenynų įdubas, sukelia griaunančius žemės drebėjimus ir ugningus ugnikalnių išsiveržimus. Pasiruoškite atrasti jėgas, kurios tiesiogine to žodžio prasme formuoja mūsų pasaulį.

Mokslinė revoliucija dažnai prasideda nuo vieno žmogaus drąsios, netgi beprotiškai atrodančios idėjos. Plokščių tektonikos istorija neatsiejama nuo vokiečių meteorologo ir geofiziko Alfredo Vėgenerio (Alfred Wegener) vardo.

Hipotezė, aplenkusi laiką

1912 metais Vėgeneris viešai pristatė savo kontinentų dreifo (poslinkio) hipotezę. Jis teigė, kad kadaise visi dabartiniai žemynai buvo susijungę į vieną milžinišką superkontinentą, kurį jis pavadino Pangėja (iš graikų k. „visos žemės“). Pasak Vėgenerio, maždaug prieš 200 milijonų metų Pangėja pradėjo skilti, o jos dalys – dabartiniai žemynai – ėmė lėtai dreifuoti į savo dabartines vietas.

Įrodymai, kurių niekas nenorėjo girdėti

Vėgeneris nebuvo svajotojas. Savo hipotezę jis grindė įvairiapusiais ir sunkiai paneigiamais įrodymais:

Kodėl Vėgeneriu niekas netikėjo?

Nepaisant svarių įrodymų, didžioji dalis to meto geologų Vėgenerio idėją atmetė ir net išjuokė. Pagrindinė priežastis buvo paprasta, bet esminė: Vėgeneris negalėjo paaiškinti, kokia jėga yra tokia galinga, kad galėtų stumdyti ištisus žemynus per kietą vandenyno dugną. Jis spėliojo apie Mėnulio potvynių jėgą ar Žemės sukimąsi, tačiau šie paaiškinimai buvo greitai atmesti kaip fiziškai neįmanomi. Prireikė dar pusės amžiaus, naujų technologijų ir naujų atradimų, kad Vėgenerio „beprotiška“ idėja atgimtų kaip viską paaiškinanti plokščių tektonikos teorija.

Vėgenerio idėjos buvo intriguojančios, bet joms trūko „geležinio“ įrodymo ir mechanizmo. Šį trūkumą išsprendė technologinė pažanga ir vandenynų gelmių tyrinėjimai po Antrojo pasaulinio karo. Būtent vandenynai, o ne žemynai, slėpė raktą į tektonikos mįslę.

Vandenyno dugno paslaptys

Iki XX a. vidurio vandenyno dugnas buvo įsivaizduojamas kaip sena, nuobodi, plokščia lyguma, padengta storu nuosėdų sluoksniu. Tačiau kai laivai, aprūpinti sonarais (garso echolotais), pradėjo sistemingai matuoti gylį, atsivėrė pritrenkiantis vaizdas. Vandenyno dugnas pasirodė esąs pats dinamiškiausias Žemės paviršiaus regionas:

• Vidurio vandenynų kalnagūbriai: Per visus vandenynus nusidriekė ilgiausia pasaulyje, apie 65 000 km ilgio, povandeninių ugnikalnių grandinė. Pavyzdžiui, Vidurio Atlanto kalnagūbris driekiasi per visą Atlanto vandenyną nuo Arkties iki Antarkties.
• Giliavandenės įdubos (loviai): Prie kai kurių žemynų pakrančių ir salų lankų buvo atrastos itin gilios ir siauros įdubos. Marianų įduba yra giliausia vieta Žemėje, siekianti beveik 11 kilometrų gylį.
• Plonas nuosėdų sluoksnis: Mokslininkus nustebino tai, kad vandenyno dugno nuosėdų sluoksnis buvo stebėtinai plonas, o pačios uolienos – geologiškai labai jaunos (ne senesnės nei 200 mln. metų), palyginti su žemynų uolienomis, kurių amžius siekia iki 4 milijardų metų. Tai reiškė, kad vandenyno dugnas nuolat atsinaujina!

„Įrašas“ uolienose: paleomagnetizmas

Didžiausias proveržis įvyko tiriant vandenyno dugno uolienų magnetines savybes. Šis procesas vadinamas paleomagnetizmu.

1. Žemės magnetinis laukas: Mūsų planeta veikia kaip didžiulis magnetas, turintis šiaurės ir pietų polius. Šis laukas nėra stabilus – vidutiniškai kas kelis šimtus tūkstančių metų jis apsiverčia (šiaurės polius tampa pietų, ir atvirkščiai).
2. Lava kaip kompasas: Kai iš vidurio vandenyno kalnagūbrių išsiveržia skysta lava (bazaltas), joje esantys geležies turintys mineralai (pvz., magnetitas) veikia kaip mažytės kompaso adatos – išsidėsto pagal tuo metu egzistuojančio Žemės magnetinio lauko kryptį.
3. Įšaldytas įrašas: Lavai vėstant ir kietėjant į uolieną, ši magnetinė orientacija „įšaldoma“ ir išlieka milijonus metų. Taip uolienos tampa savotišku senovinio magnetinio lauko įrašu.

Kai mokslininkai su magnetometrais išmatavo magnetinio lauko stiprumą vandenyno dugne, jie aptiko stulbinantį dėsningumą: abipus vidurio vandenyno kalnagūbrio driekėsi simetriškos „juostos“ su normaliu ir apverstu įmagnetėjimu. Šis „zebro raštas“ galėjo būti paaiškintas tik vienu būdu – vandenyno dugno plėtimusi. Prie kalnagūbrio ašies nuolat formuojasi nauja pluta, kuri įgauna to meto magnetinę kryptį ir yra stumiama į šonus, atlaisvinant vietą dar naujesnei plutai. Šis atradimas tapo neginčijamu įrodymu, kad Žemės paviršius juda.

Taigi, mes žinome, kad plokštės juda. Bet kokia jėga jas stumdo? Atsakymas slypi giliai Žemės viduje – karštoje mantijoje. Tai yra tas mechanizmas, kurio taip trūko Vėgeneriui.

Pagrindinis variklis: konvekcinės srovės

Įsivaizduokite puodą su verdančiu vandeniu. Vanduo, esantis arčiausiai dugno, įkaista, jo tankis sumažėja ir jis kyla aukštyn. Pasiekęs paviršių, jis atvėsta, jo tankis padidėja ir jis grimzta žemyn, kur vėl yra kaitinamas. Taip susidaro nuolatinis cirkuliacinis judėjimas – konvekcija.

Lygiai tas pats, tik nepalyginamai lėtesniu mastu, vyksta Žemės mantijoje. Mantijos medžiaga, esanti arčiau karšto branduolio, įkaista ir lėtai (kelis centimetrus per metus) kyla aukštyn. Pasiekusi litosferos apačią, ji atvėsta ir leidžiasi žemyn. Šios milžiniškos, lėtos konvekcinės srovės, judančios plastiškoje astenosferoje, veikia kaip galingas konvejeris, kartu su savimi tempdamas virš jo esančias kietas litosferos plokštes.

• Ten, kur karštos mantijos srautai kyla, litosferos plokštės yra skiriamos (formuojasi divergentinės ribos, pvz., vidurio vandenynų kalnagūbriai).
• Ten, kur atvėsę mantijos srautai grimzta, litosferos plokštės yra traukiamos žemyn ir susiduria (formuojasi konvergentinės ribos, kuriose vyksta subdukcija).

Papildomos jėgos

Nors konvekcija yra pagrindinis variklis, plokščių judėjimą veikia ir kitos, išvestinės jėgos:

• Kalnagūbrio stūma (angl. Ridge Push): Vidurio vandenynų kalnagūbriai yra iškilę aukščiau nei likęs vandenyno dugnas. Dėl gravitacijos jėgos naujai susidariusi, karšta ir iškilusi pluta tiesiog „nučiuožia“ nuo šio kalnagūbrio šlaitų, stumdama visą plokštę prieš save.
• Plokštės trauka (angl. Slab Pull): Tai procesas, vykstantis subdukcijos zonose. Kai tanki vandenyninė plokštė pasineria po kita plokšte, ji nugrimzta į mantiją. Dėl savo didelio tankio ir gravitacijos jėgos, grimztanti plokštės dalis (plokštės liežuvis) veikia kaip inkaras, traukdamas likusią plokštės dalį paskui save. Daugelis mokslininkų šiandien mano, kad būtent plokštės trauka yra pati svarbiausia plokščių judėjimą lemianti jėga.

Didžioji dalis geologinio aktyvumo – žemės drebėjimai, ugnikalnių išsiveržimai, kalnų formavimasis – vyksta ne plokščių viduryje, o jų pakraščiuose, ten, kur jos sąveikauja viena su kita. Šios sąveikos zonos vadinamos plokščių ribomis arba sienomis. Pagal santykinį plokščių judėjimą, išskiriami trys pagrindiniai ribų tipai.

Divergentinėse ribose dvi litosferos plokštės tolsta viena nuo kitos. Šiose vietose iš mantijos kylanti magma užpildo atsiradusį tarpą ir sukietėjusi suformuoja naują litosferos plutą. Dėl to šios ribos dar vadinamos konstruktyviosiomis.

Vandenyninis-vandenyninis išsiskyrimas

Tai labiausiai paplitęs divergentinių ribų tipas, randamas vandenynų dugne.

• Procesas: Karštos konvekcinės srovės kelia ir tempia į šalis vandenyninę litosferą. Dėl tempimo pluta suplonėja, įtrūksta. Slėgiui sumažėjus, astenosferos medžiaga iš dalies išsilydo ir magma veržiasi į paviršių.
• Rezultatas: Susidaro vidurio vandenyno kalnagūbris – povandeninė ugnikalnių grandinė. Išsiliejusi lava greitai atvėsta vandenyje ir suformuoja naują vandenyninę plutą. Šis procesas, vadinamas vandenyno dugno plėtimusi, nuolat didina vandenyno plotą.
• Pavyzdys: Vidurio Atlanto kalnagūbris. Būtent dėl jo plėtimosi Europa ir Šiaurės Amerika tolsta viena nuo kitos maždaug 2,5 cm per metus greičiu. Islandija yra unikali vieta, kur šis kalnagūbris iškyla virš vandens lygio.

Žemyninis-žemyninis išsiskyrimas

Kartais plokštės pradeda skirtis po žemynine pluta.

• Procesas: Kylanti magma kaitina ir retina žemyninę plutą, ji išsigaubia ir pradeda trūkinėti. Ilgainiui centrinė dalis įgriūva ir susidaro gilus, ilgas slėnis.
• Rezultatas: Susidaro žemyninis rifto slėnis. Tai yra pirmoji naujo vandenyno formavimosi stadija. Slėnyje vyksta aktyvus vulkanizmas, dažni žemės drebėjimai. Jei procesas tęsiasi, rifto slėnis platėja, jį užlieja jūra ir jis tampa nauju, siauru vandenynu, kurio centre formuojasi vidurio vandenyno kalnagūbris.
• Pavyzdys: Rytų Afrikos lūžių (rifto) slėnis. Tai aktyvi zona, kurioje Afrikos plokštė skyla į dvi dalis. Ateityje Rytų Afrika gali atsiskirti nuo likusio žemyno ir susidarys naujas vandenynas.

Konvergentinėse ribose dvi plokštės artėja viena prie kitos ir susiduria. Kadangi Žemė nesiplėčia, naujos plutos susidarymas divergentinėse ribose turi būti kompensuojamas senos plutos naikinimu. Būtent tai ir vyksta konvergentinėse ribose, todėl jos dar vadinamos destruktyviosiomis. Susidūrimo pasekmės priklauso nuo to, kokio tipo plutos susiduria.

Vandenyninė-žemyninė konvergencija

Kai susiduria tankesnė vandenyninė ir mažesnio tankio žemyninė plokštės.

• Procesas: Tankesnė vandenyninė plokštė pasineria po žemynine plokšte. Šis procesas vadinamas subdukcija. Grimztanti plokštė kaista, o iš jos išsiskiriantis vanduo priverčia virš jos esančią mantiją lydytis. Susidariusi magma, būdama lengvesnė, kyla aukštyn per žemyninę plutą.
• Rezultatas: Susidaro keletas būdingų darinių:
  • Giliavandenė įduba (lovis): Ilga, siaura ir labai gili įduba vandenyno dugne, žyminti vietą, kur viena plokštė pradeda nirti po kita.
  • Vulkaninių kalnų grandinė: Žemyninėje plokštėje, lygiagrečiai giliavandenei įdubai, iš kylančios magmos susidaro ugnikalnių grandinė.
• Pavyzdys: Andų kalnai Pietų Amerikoje, susidarę Naskos (vandenyninei) plokštei pasineriant po Pietų Amerikos (žemynine) plokšte. Šiame regione vyksta stiprūs žemės drebėjimai ir ugnikalnių išsiveržimai.

Vandenyninė-vandenyninė konvergencija

Kai susiduria dvi vandenyninės plokštės.

• Procesas: Nors abi plokštės vandenyninės, viena iš jų visada yra senesnė, šaltesnė ir tankesnė. Būtent ši senesnė plokštė pasineria (vyksta subdukcija) po jaunesne. Kaip ir ankstesniu atveju, grimztanti plokštė tirpdo virš jos esančią mantiją, ir magma kyla į viršų.
• Rezultatas: Magma, išsiveržusi vandenyno dugne, suformuoja povandeninių ugnikalnių grandinę. Ilgainiui šie ugnikalniai gali iškilti virš vandens lygio ir suformuoti vulkaninių salų lanką.
• Pavyzdys: Japonijos salos, Filipinai, Marianų salos. Prie Marianų salų esanti Marianų įduba yra tiesioginė Ramiojo vandenyno plokštės subdukcijos po Filipinų plokšte pasekmė.

Žemyninė-žemyninė konvergencija

Kai susiduria dvi mažo tankio žemyninės plokštės.

• Procesas: Dėl mažo tankio nei viena žemyninė plokštė nenori pasinerti į mantiją. Vietoj subdukcijos, susidūrusios plokštės glemžiasi, raukšlėjasi, lūžta ir yra keliamos aukštyn.
• Rezultatas: Susidaro aukščiausi ir sudėtingiausi pasaulio kalnynai. Šiose zonose pluta yra storiausia Žemėje. Vulkanizmas retas, tačiau žemės drebėjimai būna labai stiprūs.
• Pavyzdys: Himalajai, susidarę Indijos plokštei atskilus nuo Gondvanos, per 50 milijonų metų nukeliavus į šiaurę ir įsirėžus į Eurazijos plokštę. Šis susidūrimas tebevyksta, todėl Himalajai vis dar auga.

Transforminėse ribose dvi plokštės slysta viena pro kitą horizontalia kryptimi. Šiose ribose litosfera nėra nei kuriama, nei naikinama, todėl jos dar vadinamos konservatyviosiomis.

• Procesas: Plokščių kraštai nėra lygūs, todėl judėdamos jos stringa, užsikabina viena už kitos. Dėl to kaupiasi milžiniška įtampa. Kai įtampa viršija uolienų atsparumą, jos staiga lūžta ir pasislenka, išlaisvindamos sukauptą energiją.
• Rezultatas: Pagrindinis reiškinys transforminėse ribose – stiprūs žemės drebėjimai. Vulkanizmo čia beveik nebūna. Ilgainiui dėl pasikartojančių poslinkių susidaro ryškus transforminis lūžis – ilga linijinė įduba arba randas Žemės paviršiuje.
• Pavyzdys: Garsiausias pavyzdys – San Andreaso lūžis Kalifornijoje, JAV. Tai riba tarp Ramiojo vandenyno plokštės (judančios į šiaurės vakarus) ir Šiaurės Amerikos plokštės (judančios į pietryčius). Būtent šis lūžis yra didžiųjų Kalifornijos žemės drebėjimų priežastis.

Nors dauguma ugnikalnių yra ties plokščių ribomis, kai kurie iš jų atsiranda pačiame plokščių viduryje, toli nuo bet kokių susidūrimų ar išsiskyrimų. Geriausias pavyzdys – Havajų salos. Kaip tai įmanoma?

Šį reiškinį paaiškina karštųjų taškų (angl. hotspots) teorija. Karštasis taškas – tai vieta, kur iš Žemės mantijos gelmių kyla neįprastai karštas ir siauras medžiagos srautas, vadinamas mantijos pliumu. Šis pliumas yra stacionarus, t.y. nejuda, ir tarsi suvirinimo aparatas pradegina virš jo judančią litosferos plokštę.

Kaip susidaro salų grandinės?

1. Stacionarus mantijos pliumas pradegina virš jo esančią vandenyninę plokštę ir suformuoja ugnikalnį. Jei ugnikalnis iškyla virš vandens, susidaro vulkaninė sala.
2. Litosferos plokštė toliau juda virš karštojo taško (pvz., Ramiojo vandenyno plokštė juda į šiaurės vakarus).
3. Ugnikalnis, buvęs virš karštojo taško, atsiduria toliau nuo jo, praranda magmos šaltinį ir tampa nebeaktyvus. Ilgainiui dėl erozijos jis yra suardomas.
4. Tuo tarpu karštasis taškas pradegina naują skylę plokštėje ir suformuoja naują, aktyvų ugnikalnį.

Šis procesas, kartodamasis milijonus metų, sukuria ilgą vulkaninių salų ir povandeninių kalnų grandinę. Šioje grandinėje tik viena sala (arba kelios naujausios) yra vulkaniškai aktyvi – ta, kuri šiuo metu yra virš karštojo taško. Kitos, senesnės salos, yra toliau nuo jo ir palaipsniui nyksta. Havajų-Imperatoriaus kalnagūbrio grandinė yra puikus to pavyzdys ir dar vienas nepaneigiamas įrodymas, kad litosferos plokštės iš tiesų juda.

Litosferos plokščių tektonikos teorija pakeitė mūsų supratimą apie Žemę. Ji parodė, kad mūsų planeta nėra statiškas uolienos rutulys, o gyvas, dinamiškas organizmas, kurio paviršius nuolat kinta, kuriamas ir ardomas galingų vidinių jėgų.

Šioje pamokoje išsiaiškinome:

• Kaip Alfredo Vėgenerio kontinentų dreifo hipotezė, pagrįsta žemynų atitikimu, fosilijomis ir geologiniais dariniais, tapo plokščių tektonikos teorijos pagrindu.
• Kokie nauji atradimai – vandenyno dugno reljefas ir ypač paleomagnetizmo duomenys – tapo lemiamais teorijos įrodymais.
• Kas yra pagrindinis plokščių judėjimo variklis – konvekcinės srovės mantijoje, papildomos plokštės traukos ir kalnagūbrio stūmos jėgomis.
• Kokie yra trys pagrindiniai plokščių ribų tipai (divergentinės, konvergentinės, transforminės) ir kokie geologiniai procesai bei dariniai jiems būdingi.

Suprasdami plokščių tektoniką, galime paaiškinti, kodėl Andai yra ten, kur yra, kodėl Japonija nuolat kenčia nuo žemės drebėjimų, o Atlanto vandenynas pamažu platėja. Tai yra fundamentali koncepcija, kuri apjungia skirtingas geologijos šakas į vieną vientisą paveikslą.

Dabar, kai supratome, KUR ir KODĖL vyksta intensyviausi geologiniai procesai, kitoje pamokoje detaliau panagrinėsime du įspūdingiausius ir pavojingiausius jų padarinius – vulkanizmą ir žemės drebėjimus.