Wewnętrzne procesy geologiczne. Teoria płyt litosfery
Skopiowano ze stron roboczych projektu Wolne Podręczniki
Spis treści |
Budowa wnętrza Ziemi
Wiek Ziemi szacowany jest na około 4,5 mld lat. W początkowym okresie istnienia cała planeta była niezwykle gorąca. Jej powierzchnię pokrywała w całości magma. W wyniku stygnięcia tej materii skalnej i przemieszczania się zróżnicowanych pod względem ciężaru związków chemicznych doszło do uformowania warstw o odmiennych właściwościach. Jako pierwsza powstała skorupa ziemska. Grubość tej sztywnej warstwy jest zróżnicowana i waha się – od kilku, gdzieniegdzie kilkunastu kilometrów pod oceanami do prawie 90 km w obrębie najwyższych pasm górskich. Pod skorupą ziemską, do około 2900 km w głąb, znajduje się płaszcz Ziemi, który ze względu na skład chemiczny dzielimy na górny i dolny. Obejmuje on 2/3 całej masy planety. Jego górną część stanowi plastyczna warstwa – astenosfera, która wraz ze skorupą ziemską tworzy litosferę. W miarę wzrostu głębokości rośnie temperatura, ciśnienie i gęstość skał . Najcięższe pierwiastki – żelazo i nikiel, przemieściły się w kierunku środka i stworzyły jądro Ziemi. Jądro jest zlokalizowane pod płaszczem, jednak ze względu na niejednorodność budowy dzieli się na zewnętrzne – będące w płynnym stanie skupienia i wewnętrzne – w stałym stanie skupienia. W jądrze wewnętrznym temperatura osiąga ponad 6000°C. Skały nie ulegają tu jednak stopnieniu w związku z bardzo wysokim ciśnieniem, które wynosi około 3,5 miliona barów.
Ponieważ Ziemia obraca się wokół własnej osi, płynne jądro zewnętrzne znajduje się w ciągłym ruchu. W wyniku tego powstała magnetosfera - pole magnetyczne wytwarzane przez Ziemię. ,,Przytrzymuje" ono przy powierzchni Ziemi całą atmosferę oraz chroni naszą planetę przed wiatrem słonecznym. Wiatr słoneczny to strumień cząstek o dużym ładunku energii wysyłany przez Słońce. Efektem zderzenia wiatru słonecznego z polem magnetycznym Ziemi jest spektakularne zjawisko świetlne, które możemy zaobserwować w obrębie obszarów okołobiegunowych - zorza polarna.
{{{2}}}
Każdy z nas jest świadkiem procesu powolnego stygnięcia Ziemi. Świadczą o nim wybuchy wulkanów. Podczas erupcji z wnętrza wydobywa się gorący stop skalny. W obrębie skorupy ziemskiej zwany jest on magmą. Na powierzchni zmienia się jego skład chemiczny i stan skupienia. W ten sposób przekształca się on w lawę. Jest ona pozbawiona składników gazowych, a wskutek znacznie niższej temperatury panującej na powierzchni Ziemi następuje jej zastyganie. W efekcie uwalniane jest ciepło.
Najgorętsze jest jądro Ziemi. Energia cieplna przemieszcza się stamtąd ku jej powierzchni. W ten sposób uruchamiany jest proces obiegu magmy w płaszczu ziemskim, czego konsekwencją jest powstanie oddzielnych płyt tektonicznych, zwanych też płytami litosfery. Są one fragmentami skorupy ziemskiej i znajdują się w ciągłym ruchu.
Nie znając mechanizmu decydującego o przemieszczaniu się płyt, jedynie na podstawie obserwacji pasujących do siebie linii brzegowych poszczególnych kontynentów, już na początku XX wieku stwierdzono, że wszystkie obszary lądowe były w przeszłości ze sobą połączone. Teorię tę sformułował w 1912 roku Alfred Wegener i nazwał ją ,,dryfem kontynentów" . Nie posiadał jednak dowodów na poparcie swojego twierdzenia. Dopiero w połowie XX wieku, gdy odkryto zasady rozchodzenia się dna oceanicznego, obserwacje jego zostały potwierdzone, a naukowcy sformułowali nową teorię – zwaną teorią tektoniki płyt. Wyjaśnia ona mechanizm wędrówki kontynentów.
Teoria tektoniki płyt
Na skutek działania złożonych mechanizmów w głębi Ziemi płyty tektoniczne znajdują się w ciągłym ruchu. Przesuwają się w różnym tempie, a w zależności od sposobu przemieszczania się płyt względem siebie istniejące pomiędzy nimi granice można podzielić na trzy podstawowe typy:
- strefa ryftu – strefa rozchodzenia płyt
- strefa subdukcji – strefa zbieżna, w której jedna z płyt podsuwa się pod drugą
- strefa uskoków przesuwczych – płyty poruszają się równolegle względem siebie w tym samym kierunku lub w kierunkach przeciwnych
W obrębie płaszcza ziemskiego występuje ciągły obieg magmy. W pierwszym etapie materia przesuwa się ku górze, powodując najpierw nabrzmienia, a następnie podłużne pęknięcia w nieelastycznej skorupie ziemskiej w dnie oceanicznym. Odkształcenia te mają postać grzbietów śródoceanicznych, których powierzchnie zbudowane są z zastygającej lawy. Szczeliny, będące miejscami ucieczki ciepła z wnętrza Ziemi, nazywane są ryftami. Jest to strefa powstawania nowej skorupy ziemskiej. Rozrasta się ona w wyniku wydostawania się części magmy z płaszcza ziemskiego na powierzchnię dna oceanicznego. W efekcie następuje rozsunięcie fragmentów skorupy ziemskiej w przeciwnych kierunkach. W ten sposób doszło do powstania Islandii, której powierzchnia ulega stałemu, powolnemu powiększaniu. Rozsuwanie się płyt litosfery umożliwia astenosfera. Jako że ma ona postać lepkiej cieczy, łatwo ulega odkształceniom, a sztywna skorupa ziemska może się po niej przesuwać.
Najmłodsze skały znajdują się w dolinie ryftowej. Jest to obniżenie pomiędzy dwoma uskokami zlokalizowane w centralnej części grzbietu oceanicznego. W miarę oddalania się od doliny ryftowej, skały budujące skorupę ziemską są coraz starsze. W ich obrębie dochodzi do procesów lądotwórczych polegających na powolnym podnoszeniu się dna oceanicznego, pokrytego już warstwami różnego rodzaju skał osadzających się w zbiornikach morskich. W ten sposób płyty tektoniczne zbudowane są z dwóch rodzajów skorup:
- skorupy oceanicznej – jej przecięta grubość wynosi od 5 do 12 km. Budują ją stosunkowo młode, szybko zastygające na dnie oceanu skały magmowe - bazalty.
- skorupy kontynentalnej – jej grubość wynosi przeciętnie 60-70 km, a granicę wyznacza zasięg szelfu – części kontynentu zanurzonej pod wodą do głębokości 200 m p.p.m. Tworzą ją znacznie starsze skały o różnym pochodzeniu, jednak podstawowy budulec stanowi granit będący także skałą magmową; proces zastygania zachodzi tu bardzo powoli.
Płyty tektoniczne zazwyczaj tworzy zarówno skorupa oceaniczna jak i kontynentalna (Płyta Euro-Azjatycka, Amerykańska, Afrykańska), choć występują też takie, które są zbudowane tylko ze skorupy oceanicznej (Płyta Pacyficzna, Nazca) lub tylko kontynentalnej (Płyta Arabska, Irańska).
Na kontynentach skorupa ziemska jest znacznie grubsza. Mimo to mamy niekiedy do czynienia z rozchodzeniem się płyt w obrębie kontynentów, które ma miejsce na przykład wzdłuż Wielkiego Rowu Wschodnioafrykańskiego. Na znacznej długości wypełniają go jeziora, spośród których największe to Tanganika i Malawi. W przyszłości dojdzie tu do oddzielenia wschodniej Afryki od pozostałej części kontynentu.
Skoro promień ziemski jest stały i w związku z tym powierzchnia planety nie ulega zmianom, a istnieją miejsca, w których następuje rozchodzenie się płyt litosfery i jej dobudowywanie, należy dojść do wniosku, że muszą istnieć obszary, gdzie ulega ona niszczeniu. Obszarami tego typu są strefy subdukcji, w których nachodzą na siebie płyty litosfery: cieńsza (tworząca dno oceaniczne) i grubsza (występująca pod kontynentami) lub dwie płyty cienkie.
W rejonie subdukcji cieńsza z płyt ulega zanurzeniu i ponownemu przekształceniu w magmę. Zewnętrzna warstwa skał z tej płyty jest zdzierana przez płytę grubszą. Zdarte osady, ulegając fałdowaniu, są do niej doklejane i mogą tworzyć łańcuchy górskie (np. Andy w Ameryce Południowej) bądź łuki wysp wulkanicznych (np. Wyspy Japonii, Indonezji u wybrzeży Azji). W efekcie subdukcji od strony cieńszej płyty tektonicznej dochodzi do powstania rowów oceanicznych - wąskich, podłużnych, mających ponad 6000 m głębokości zapadlisk (np. Rów Atakamski u wybrzeży Ameryki Południowej, Rów Japoński, czy najgłębszy na świecie – Rów Mariański). W wyniku ściskania płyt dochodzi do ogromnych naprężeń, których siła uwalniana jest w postaci licznych trzęsień ziemi. Ponadto, na skutek wzrostu temperatury wraz z głębokością, cieńsza płyta ulega roztopieniu. Przemiany te mają miejsce kilka kilometrów pod powierzchnią Ziemi i prowadzą do powstania licznych ognisk magmowych, a w konsekwencji do gwałtownych erupcji wulkanów.
Istnieje także możliwość kolizji dwóch płyt kontynentalnych. Przykładem tego typu procesu jest zderzenie fragmentu płyty indyjskiej i euroazjatyckiej. W tym przypadku obszar Półwyspu Indyjskiego (znanego inaczej Półwyspem Dekan) oderwał się od Afryki i uległ kolizji południową częścią Azji. W efekcie powstały najwyższe góry świata – Himalaje oraz obniżenie w postaci Niziny Gangesu. Jest to także strefa dużej aktywności sejsmicznej, a więc rejon występowania licznych trzęsień Ziemi. Duża grubość obu płyt sprawia, że niemożliwy jest rozwój zjawisk wulkanicznych.
Ostatnim rodzajem granic pomiędzy płytami litosfery są uskoki przesuwcze. Występują w sytuacji, gdy dwie płyty poruszają się równolegle względem siebie. Ruch ten może odbywać się w tym samym kierunku, bądź w kierunku przeciwnym. Ponieważ poszczególne płyty tektoniczne przemieszczają się z różną prędkością, w obydwu przypadkach na skutek tarcia krawędzi płyt o siebie dochodzi do powstawania trzęsień Ziemi.
Najbardziej znaną granicą tego typu jest uskok San Andreas (Świętego Andrzeja), przebiegający wzdłuż zachodniego wybrzeża USA. Jest on granicą pomiędzy Płytą Pacyficzną, a Płytą Amerykańską. W efekcie tarcia o siebie krawędzi tych płyt w 1906 roku w rejonie San Francisco doszło do bardzo silnego trzęsienia Ziemi, które osiągnęło wartość prawie 8 stopni w skali Richtera i zniszczyło znaczną część liczącego wówczas ponad 400 tysięcy mieszkańców miasta. ¾ ludności pozostało bez dachu nad głową.
Trzęsienia Ziemi i erupcje wulkaniczne
Gdy porównasz poniższą mapę z ilustracją przedstawiającą rozmieszczenie płyt litosfery (Rozdział: Budowa wnętrza Ziemi), okaże się, że na granicach płyt występuje najwięcej trzęsień Ziemi. Trzęsienia Ziemi są drganiami skorupy ziemskiej, a obszary, w których występuje ich duże natężenie zwane są strefami sejsmicznymi. Szczególnie silne i liczne wstrząsy mają miejsce w rejonach, w których płyty na siebie nachodzą (w strefach subdukcji) oraz w obrębie uskoków przesuwczych. Jest to rezultat powstania silnych naprężeń we wnętrzu Ziemi. Bezpośrednio nad miejscami ich powstania, na powierzchni Ziemi, siła wstrząsów jest największa. Są to tzw. epicentra trzęsień, w rejonie których zniszczenia są najbardziej katastrofalne w skutkach. O wiele słabsze drgania notowane są w ryftach.
Aż 75% trzęsień Ziemi ma miejsce u wybrzeży Oceanu Spokojnego. Z tego powodu obszar ten zwany jest pacyficznym pierścieniem ognia.
Wulkanizm jest procesem zachodzącym na powierzchni Ziemi, związanym z wydobywaniem się lawy i innych materiałów z jej wnętrza. Zjawisko to ma miejsce także na granicach płyt tektonicznych. Gwałtowność wybuchów wulkanów, czyli inaczej siła erupcji, tak jak w przypadku trzęsień Ziemi, jest większa w strefach subdukcji, mniejsza w strefach ryftów. Wiąże się to z odmiennymi właściwościami lawy w obydwu rejonach. W miejscach nachodzenia się płyt jest ona gęstsza, bardziej lepka i jest określana mianem lawy kwaśnej. Zastyga w pobliżu miejsca erupcji, a powstające wulkany przybierają postać stożków. Stąd też zwane są wulkanami stożkowymi. Oprócz lawy produktami erupcji są substancje gazowe (para wodna, siarkowodór, chlor, wodór, amoniak, tlenki siarki, metan) oraz produkty stałe – tzw. materiał piroklastyczny. Są to bomby wulkaniczne (zastygłe fragmenty lawy o średnicy ponad 1 metra), piaski i pyły wulkaniczne (znacznie mniejszych rozmiarów). W rejonie grzbietów śródoceanicznych, w strefach rozchodzenia się płyt wydobywa się tzw. lawa zasadowa o małej lepkości. W związku z tym erupcja przebiega tu znacznie łagodniej - lawa rozlewa się szybciej, na znacznie większe odległości. W ten sposób powstają wulkany o bardzo łagodnych stokach - wulkany tarczowe. Największe zagęszczenie tego typu wulkanów występuje na Islandii.
Na kuli ziemskiej zjawiska wulkaniczne występują też w obrębie plam gorąca – tzw. hot spot. Są to miejsca w których ucieczka ciepła z wnętrza Ziemi następuje punktowo. Mogą one występować zarówno na dnie oceanicznym, jak i na powierzchni kontynentu. Jednym z najbardziej słynnych tego typu obszarów na lądzie jest Yellowstone - pierwszy park narodowy na świecie. O aktywności sejsmicznej tego rejonu świadczą liczne gejzery. Są to gorące źródła wyrzucające w równych odstępach czasu słup wody o temperaturze około 100 stopni C. Na oceanach często prowadzą do powstania wysp wulkanicznych. Przykładem tego typu obszaru są Hawaje - wyspy na Pacyfiku, których najwyższymi kulminacjami są wulkany: Mauna Kea i Mauna Loa.
Budowa geologiczna kontynentów. Typy łańcuchów górskich
Pod względem budowy geologicznej na lądach wyróżniamy trzy rodzaje jednostek geologicznych. Są to:
- górotwory
- tarcze krystaliczne
- platformy
Przemieszczające się w przeciwnych kierunkach płyty tektoniczne (w strefie subdukcji) oddziałują z ogromną siłą na skały, powodując ich ściskanie (tzw. kompresję), co w efekcie prowadzi do powstawania łańcuchów górskich. W wyniku ściskania poziomo ułożonych warstw skał osadowych następuje pofałdowanie skał i ukształtowanie gór fałdowych. Wklęsłe części fałdów tworzą synkliny, wypukłe – antykliny. Góry fałdowe są najczęściej spotykanym rodzajem gór na świecie. Należą do nich przede wszystkim najmłodsze łańcuchy, powstałe w okresie wielkich fałdowań, które trwają do dziś. Dlatego też wysokość szczytów takich gór jak Himalaje (z Mount Everestem - najwyższym szczytem świata) czy Alpy (z Mount Blanc) ulega ciągłemu podnoszeniu.
W czasie najmłodszych fałdowań starsze góry uległy odmłodzeniu. Siły pochodzące z wnętrza Ziemi, prowadzące do wypiętrzania się nowych łańcuchów górskich działały także na obszary nie będące bezpośrednio w strefach subdukcji oraz na terenach obejmujących starsze, zniszczone już łańcuchy. W ten sposób doszło do powstania pionowych pęknięć w warstwach skalnych, tzw. uskoków. Wzdłuż nich zostały wydźwignięte duże powierzchnie bloków skalnych. Efektem jest powstanie gór o stosunkowo stromych stokach i płaskich powierzchniach szczytowych, określanych mianem gór zrębowych. Budowę taką mają między innymi: Sudety, Góry Harz, Wogezy, Góry Ural czy Tien-Szan.
Oprócz obszarów górskich, które powstawały w różnych okresach istnienia naszej planety i z tego powodu znajdują się zarówno na granicach płyt litosfery, jak i w głębi kontynentów, istnieją tereny, które nigdy nie były sfałdowane. Są to tarcze krystaliczne oraz platformy. Tarczami są jednostki, których powierzchnia zbudowana jest ze skał magmowych. Duże, zwarte obszary tego typu znajdują się w północnej Europie. Platformy różnią się od tarcz tym, że w ich obrębie skały powstające w wyniku zastygania magmy, zostały przykryte różnego rodzaju materiałem. Powstał on w efekcie przetworzenia szczątków roślin i zwierząt, rozkruszania istniejących wcześniej skał lub nanoszenia materiału.
