Tektonika ploča

Геолошка теорија која описује кретање Земљине литосфере великих размера.

Tektonika ploča je geološka teorija koja objašnjava pomeranja ploča Zemljine kore velikih razmera. Teorija uključuje stariju hipotezu pomeranja kontinenata, koja datira iz prve polovine 20. veka, i koncept širenja okeanskog dna razvijen tokom 1960-ih godina.

Zemljine litosferne ploče
Zemljine litosferne ploče

Spoljni deo Zemlje se sastoji od dva sloja: spoljne ljuske (litosfera) koja obuhvata koru i kruti gornji deo omotača, ispod koje se nalazi astenosfera. Iako u krutom stanju, astenosfera ima relativno nisku viskoznost i smičuću moć pa zato ima određene karakteristike fluida (može da teče). Ispod astenosfere se nalazi krući donji omotač, čije je fazno stanje nije posledica manjih temperatura, već visokog pritiska.

Litosfera je razlomljena (izdeljena) na tzv. litosferne ploče (tektonske ploče). Postoji sedam glavnih i još mnogo manjih ploča. Litosferne ploče plutaju na astenosferi. Postoje tri tipa granica među pločama:

Zemljotresi, vulkanska aktivnost, izdizanje planinskih lanaca pa i oblikovanje okeanskih rovova se pojavljuje duž granica ploča. Bočno se pomeranje ploča obično odvija brzinama od 0.66 do 8.50 cm godišnje.

Razvoj ideje uredi

Teorija tektonike ploča vuče korene iz hipoteze pomeranja kontinenata. Koncept širenja morskog dna prvi je put predložio u ranim 1960-im Robert S. Dajc, iako se obično pripisuje Hariju Hesu.

Prvi čvrsti dokazi o tačnosti teorije bili su magnetske anomalije, koje su definisane kao simetrične, paralelne pruge slične magnetizacije na morskom dnu, sa obe strane srednjookeanskog grebena. Razvijanje tehnika seizmičkih istraživanja, pogotovo seizmičke tomografije, i njihova primena u zoni Vadati-Beniof zonama, u kombinaciji s brojnim drugim geološkim istraživanjima, vrlo je brzo učvrstilo tektoniku ploča kao teoriju s dobrim mogućnostima objašnjavanja i predviđanja različitih pojava.

Proučavanje dubokog okeanskog dna bilo je presudno za razvoj teorije - disciplina dubokomorske marinske geologije je bukvalno procvetala 1960-ih. Shodno tome, teorija tektonike ploča razvila se tokom kasnih 1960-ih, od kada je univerzalno prihvaćena od svih geonaučnika. Teorija je revolucionizovala geonauke zbog svoje moći ujedinjavanja i objašnjavanja različitih geoloških pojava.

Osnovni principi uredi

Podela spoljnih delova Zemljine unutrašnjosti u litosferu i astenosferu zasnovana je na njihovim mehaničkim razlikama i načinu prenošenja toplote. Litosfera je hladnija i kruća, dok je astenosfera toplija i mehanički slabija. Takođe, litosfera gubi toplotu kondukcijom, a astenosfera prenosi toplotu konvekcijom i ima gotovo adijabatski temperaturni gradijent. Ta se podela ne bi smela mešati s hemijskom podelom Zemlje na jezgro, omotač i koru. Litosfera se sastoji i od kore i od dela omotača. Određeni deo omotača može pripadati litosferi, ali i astenosferi u različitom vremenu, što zavisi od temperature, pritiska i smičuće sile. Osnovni je princip tektonike ploča taj da litosfera postoji u obliku odvojenih i zasebnih ploča koje plutaju na viskoelastičnoj krutoj astenosferi. Pomeranje ploča se odvija u rasponu od nekoliko milimetara godišnje (brzina rasta noktiju), pa do oko 5 centimetara godišnje (brzina rasta kose).

Ploče su oko 100 km debele i sastoje se od litosferskog omotača prekrivenog s jednim od dva tipa kore: okeanskom korom (stari naziv je sima) ili kontinentalnom korom (stari naziv je sial). Ova dva tipa kore se razlikuju u debljini - kontinentalna je kora znatno deblja od okeanske (reda veličine 50 km nasuprot 5 km).

Ploče se susreću duž granica ploča, koje su obično povezane s geološkim događajima poput zemljotresa i stvaranjem topografskih oblika kao što su planine, vulkani i okeanski rovovi. Većina aktivnih vulkana javlja se na granicama ploča, s Pacifičkim vatrenim prstenom kao najaktivnijim i najpoznatijim.

Tektonske ploče mogu uključivati kontinentalnu ili okeansku koru, ali obično jedna ploča sadrži obe. Npr. Afrička ploča uključuje i kontinent i delove Atlantskog i Indijskog okeana. Razlika između kontinentalne i okeanske kore zasnovana je na gustini minerala koji ih izgrađuju - okeanska je kora gušća od kontinentalne zbog različitih udela raznih elemenata, i silicijuma. Okeanska kora (bazična) je gušća jer ima manje silicija i više teških elemenata od kontinentalne kore (felzične). Rezultat toga je da okeanska kora leži ispod nivoa mora (npr. većina Pacifičke ploče), dok je kontinentalna kora izbačena iznad nivoa mora (zbog principa izostazije).

Tipovi granica ploča uredi

 
Tri tipa granica ploča: (1) astenosfera (2) litosfera (3) vruća tačka (4) okeanska kora (5) subdukcijska ploča (6) kontinentalna kora (7) kontinentalna riftna zona (mlada granica ploča) (8) konvergentna granica ploča (9) divergentna granica ploča (10) transformna granica ploča (11) vulkanski štit (12) šireći okeanski greben (13) konvergentna granica ploča (14) stratovulkan (15) ostrvski luk (16) ploča (17) astenosfera (18) jarak

Postoje tri tipa granica ploča, koji su okarakterisani načinom na koji se ploče pomeraju relativno jedna prema drugoj, a povezane su s različitim površinskim fenomenima. To su:

  1. Transformne granice, koje se javljaju na mestu gde ploče klize jedna pored druge duž transformnog raseda. Relativno pomeranje dve ploče je ili sinistralno (nalevo u odnosu na posmatrača) ili dekstralno (nadesno u odnosu na posmatrača).
  2. Divergentne granice se javljaju na mestu gde se dve ploče odmiču jedna od druge (to su srednjookeanski grebeni i aktivne zone cepanja kao što je Istočnoafrička brazda).
  3. Konvergentne granice (ili aktivne ivice) se javljaju na mestu gde se dve ploče pomeraju jedna prema drugoj obično stvarajući zonu subdukcije (ako jedna ploča tone pod drugu) ili kontinentalne kolizije (ako obe ploče sadrže kontinentalnu koru). Dubokomorski jarkovi su tipični za zone subdukcije. Zbog trenja i zagrevanja subdukovane ploče, gotovo su uvek vezane sa vulkanizmom. Najbolji primeri za ove procese su Andi u Južnoj Americi i japanski ostrvski luk.

Transformne (konzervativne) granice uredi

Zbog trenja ploče ne mogu jednostavno kliziti jedna pored druge. Tačnije, pritisak se povećava u obe ploče sve dok se ne dostigne stepen prekoračenja praga deformacije stena, kada se akumulirana potencijalna energija oslobađa u vidu deformacije na obe strane raseda. Deformacija je akumulativna i trenutna, i zavisi od reologije stene - rastegljiva donja kora i omotač akumuliraju deformaciju postepeno putem smicanja, pri čemu krhka gornja kora reaguje lomljenjem ili trenutnim otpuštanjem pritisaka, koje izaziva kretanje duž raseda. Rastegljiva površina raseda može takođe otpustiti pritisak kada je stepen deformacije prevelik. Energija otpuštena trenutnim pritiskom je uzrok potresa, učestalog fenomena duž transformnih granica.

Dobar primer ovog tipa granice ploča jeste rased San Andreas, koji se nalazi na zapadnoj obali Severne Amerike i deo je izuzetno složenog sistema raseda na tom području. Na ovoj se lokaciji Pacifička i Severnoamerička ploča pomeraju jedna prema drugoj na takav način da se Pacifička ploča pomera prema severozapadu u odnosu na Severnoameričku. Drugi primeri transformnih raseda uključuju Alpski rased na Novom Zelandu, i Severnoanatolijski rased u Turskoj. Transformni rasedi se nalaze i kao izdanci na krestama srednjookeanskog grebena.

Divergentne (konstruktivne) granice uredi

 
Most preko Alfagja brazda blizu Grindavika na poluostrvu Rejkjanes na jugozapadu Islanda. Granica Evroazijske i Severnoameričke kontinentalne tektonske ploče.

Na divergentnim se granicama dve ploče razmiču i na taj način stvaraju prostor koji se puni novim materijalom kore, koji potiče od magme nakupljene ispod. Poreklo je nove divergentne granice na trostrukom čvoru, za koji se smatra da je povezan s fenomenom poznatim kao vruće tačke. To su mesta na kojima neizmerno velike konvekcijske ćelije donose jako velike količine vrućeg astenosferskog materijala blizu površine, pa se stoga smatra da je kinetička energija na tim mestima dovoljna za razlamanje litosfere. Vruća tačka koja je podstaknula stvaranje sistema Srednjoatlantskog grebena trenutno se nalazi ispod Islanda koji se proširuje brzinom od nekoliko centimetara u jednom veku.

Divergentne granice su predstavljene u okeanskoj litosferi sistemom okeanskih grebena, kao što su Srednjoatlantski greben i Istočnopacifičko uzvišenje, a u kontinentalnoj litosferi dolinama brazdanja kao što je poznata Istočnoafrička brazda. Divergentne granice mogu stvoriti masivne zone rasedanja u sistemu srednjookeanskog grebena. Generalno, širenje nije uniformno pa se masivni transformni rasedi pojavljuju tamo gde su različite brzine širenja susednih blokova stena. To su pukotinske zone a glavni su izvor podmorskih potresa. Karte morskog dna pokazuju vrlo čudan obrazac blokovitih struktura koje su odeljene linearnim elementima upravnim na osu grebena. Ovaj proces postaje jasniji ako posmatramo morsko dno između pukotinskih zona kao pokretnu traku koja odnosi greben od središta širenja na svakoj strani jaruge. Kresta starijih grebena, paralelna trenutnom centru širenja, biće starija i dublja (zbog termalne kontrakcije i tonjenja).

 
Promena magnetnog polariteta

Upravo je na srednjookeanskim grebenima nađen jedan od ključnih principa koji je uzrokovao prihvatanje hipoteze širenja morskog dna. Vazdušna geomagnetna istraživanja pokazala su neobičan uzorak simetričnih pruga promena magnetnog polariteta na suprotnim stranama osa grebena. Uzorak je bio previše pravilan da bi se mogao smatrati slučajnim jer su se širine naspramnih traka previše dobro poklapale. Naučnici su proučavali polarne promene i napravili vezu. Magnetne su se trake direktno poklapale sa Zemljinim polarnim promenama, što je potvrđeno merenjem starosti stena u svakoj traci. Te nam trake pružaju kartu u vremenu i prostoru pomoću kojih se mogu odrediti i brzina širenja i polarna pomeranja.

Konvergentne (destruktivne) granice uredi

Priroda konvergentnih granica zavisi od tipa litosfere ploča koje se sudaraju. Na mestu gde se gusta okeanska ploča sudara s manje gustom kontinentalnom pločom, okeanska ploča se po pravilu podvlači zbog većeg uzgona kontinentalne litosfere, oblikujući zonu subdukcije. Na površini, topografski primetan obično okeanski jarak na okeanskoj strani i planinski lanac na kontinentalnoj strani. Primer zone subdukcije okean-kontinent je područje duž zapadne obale Južne Amerike gde se okeanska ploča subdukuje pod kontinentalnu Južnoameričku ploču.

Dok je proces neposredno povezan sa stvaranjem rastopa iznad tonuće ploče, zbog čega dolazi do površinskog vulkanizma, još uvek predmet rasprava u geološkoj zajednici, opšteprihvaćeni konsenzus istraživanja koja su u toku ukazuje na to da glavni doprinos daju volatili. Kako ploča koja se subdukuje tone, njena temperatura raste zbog čega otpušta volatile (od kojih je najvažnija voda) zarobljene u poroznoj okeanskoj kori. Voda se izdiže u omotač naležuće ploče, smanjuje temperaturu rastopa okolnih stena pa proizvodi rastop (magmu) s velikim količinama otopljenog gasa. Ovaj se rastop uzdiže do površine i izvor je nekih od najeksplozivnijih vulkana na Zemlji zbog velike zapremine ekstremno stisnutih gasova (npr. Etna, Vezuv). Na ovaj se način oblikuju dugi vulkanski lanci u unutrašnjosti kontinentalnog šelfa i paralelno njemu. Kontinentalna kičma Južne Amerike obiluje ovim tipom vulkanskog izdizanja planina zbog subdukcije Nazca ploče. U Severnoj Americi je planinski lanac Kaskadnih planina, koji se proteže južno od Sijera Nevade u Kaliforniji, takođe ovog tipa. Takvi vulkani okarakterisani su promenljivim periodima mirovanja i epizodnim erupcijama koje započinju ispuštanjem eksplozivnih gasova sa finim česticama staklastog vulkanskog pepela i sunđerastog materijala. Celom ivicom Pacifičkog okeana protežu se vulkani pa je poznat pod nazivom Vatreni pojas Pacifika.

Na mestima gde se dve kontinentalne ploče sudaraju, ploče se ili ispupčuju i zbijaju, ili se jedna ploča potkopava ispod ili (u nekim slučajevima) prelazi preko druge. Svako od tih delovanja stvara prostrane planinske lance. Najdramatičniji rezultat tih procesa se može videti na mestu gde se severna ivica Indijske ploče podvlači pod deo Evroazijsku ploču izdižući je i stvarajući Himalaje i Tibet. Ovo je takođe uzrok deformacije Azijskog kontinenta prema zapadu i prema istoku na svakoj strani kolizije.

Kada se dve okeanske ploče primiču jedna prema drugoj, obično stvaraju ostrvski luk kako se jedna ploča subdukuje pod drugu. Luk je formiran vulkanima koji eruptiraju kroz naležuću ploču kako se ispod nje rastapa tonuća ploča. Lučni oblik se pojavljuje zbog sferične površine Zemlje (kada nožem zarežemo koru pomorandže, može se uočiti luk koji je napravljen ravnom ivicom noža). Duboka podmorska jaruga smeštena je ispred takvog luka na mestu gde gušća ploča tone. Odličan primer za ovaj tip konvergencije ploča bi bili Japan i Aleuti na Aljasci.

 
Konvergencija okeanske i kontinentalne kore: (1) okeanska kora (2) litosfera (3) astenosfera (4) kontinentalna kora (5) vulkanski luk (6) jarak
 
Konvergencija kontinentalne i kontinentalne kore: (1) kontinentalna kora (2) litosfera (3) astenosfera (4) drevna okeanska kora (5) planinski lanac (6) visoki plato
 
Konvergencija okeanske i okeanske kore: (1) okeanska kora (2) litosfera (3) astenosfera (4) kontinentalna kora (5) jarak (5) ostrvski luk

Ploče se mogu sudarati pod kosim uglom pre nego frontalno (npr. jedna se ploča pomera prema severu, druga prema jugoistoku), što može uzrokovati pružno rasedanje duž zone kolizije, kao dodatak subdukciji.

Nisu sve granice ploča lako definisane - neke su široki pojasevi čiji su pokreti naučnicima nejasni. Primer za to jeste mediteransko-alpska granica, koja uključuje dve velike ploče i nekoliko mikroploča. Granice ploča ne moraju se nužno poklapati s onim od kontinenata. Npr. Severnoamerička ploča ne pokriva samo Severnu Ameriku, nego i dalekoistočni Sibir i severni Japan.

Sile koje uzrokuju pokretanje ploča uredi

Ploče se mogu kretati zbog odnosa gustine okeanske litosfere i slabosti astenosfere. Gubitak toplote iz omotača pravi je izvor energije koja pokreće tektoniku ploča, iako se više ne smatra da ploče pasivno plove po astenosferskim konvekcijskim strujama. Umesto toga, prihvaćeno je da velika gustina okeanske litosfere, koja tone u subdukcijskim zonama, pokreće ploče. U početku, kada se formira na srednjookeanskim grebenima, okeanska litosfera je manje gustine od astenosfere u podlozi, ali s vremenom postaje sve gušća, kako se konduktivno hladi i zadebljava. Veća gustina starije litosfere u odnosu na astenosferu dopušta tonjenje duboko u omotač u subdukcijskim zonama, na taj način proizvodeći najveći deo pokretačke sile tektonike ploča. Slabost astenosfere dopušta pločama da se s lakoćom kreću prema zonama subdukcije.

Dvodimenzionalna i trodimenzionalna vizuelna dijagnostika Zemljine unutrašnjosti (seizmička tomografija) ukazuje na postojanje poprečne heterogene raspodele gustine kroz omotač. Takve varijacije u gustini mogu biti uzrokovane različitim hemizmom stena, različitim kristalnim strukturama ili termalnom ekspanzijom i kontrakcijom zbog toplotne energije. Manifestacija ove poprečne heterogenosti gustina je konvekcija omotača zbog sila uzgona. Kako je tačno konvekcija plašta posredno i neposredno povezana sa pomeranjem ploča, pitanje je sadašnjih istraživanja i rasprava u geodinamici. Ova energija mora se nekako prenositi u litosferu da bi se ploče pomerale. U osnovi postoje dva tipa sila koje bi mogle uticati na kretanje ploča: trenje i gravitacija.

Trenje uredi

Temeljni otpor
Konvekcijske struje velikih razmera u gornjem omotaču prenose se kroz astenosferu - pomeranje je izazvano pojavom trenja između astenosfere i litosfere.
Usisavanje ploče
Lokalne konvekcijske struje vrše guranje ploča nadole u subdukcijskim zonama u okeanskim jarugama, pri čemu dolazi do trenja.

Gravitacija uredi

Gravitacijsko klizanje
Na pomeranje ploča utiče to što se ploče na srednjookeanskim grebenima nalaze na većoj visini. Kako se okeanska litosfera formira iz vrućeg materijala omotača na grebenima, koji se šire, postepeno se hladi i s vremenom (samim tim i s udaljenosti od grebena) zadebljava. Hladna okeanska litosfera značajno je gušća od vrućeg materijala omotača od kojeg potiče, pa s povećanjem debljine postupno tone u omotač da bi nadoknadila veće opterećenje. Rezultat je neznatni poprečni nagib s udaljenosti od ose grebena.

Vrlo se često u geofizičkoj zajednici i još češće u geološkoj literaturi za niže školstvo ovaj proces referiše kao potiskivanje od grebena. Ovo je u stvari pogrešan naziv s obzirom da se ništa ne potiskuje i da su tenzijske osobine dominantne duž grebena. Mnogo bi preciznije bilo imenovati ovaj mehanizam kao gravitacijsko tonjenje, s obzirom da ukupna varijabilnost topografije duž ploče može značajno varirati, a topografija širećih grebena samo je najistaknutija osobina. Na primer:

1. Savitljivo udubljivanje litosfere pre nego što potone ispod susedne ploče, na primer, izaziva jasno topografsko obeležje, koje može poremetiti ili barem izvršiti uticaj na promenu topografije okeanskih grebena.
2. Perjanice omotača (engl. mantle plumes) vrše udare na donjoj strani tektonskih ploča pa mogu drastično promeniti topografiju okeanskog dna.
Povlačenje ploče
Pomeranje ploča izazvano je težinom hladnih, gustih ploča koje tonu u omotač na mestu jaruga. Izdizanje materijala na srednjookeanskim grebenima gotovo je sigurno deo ove konvekcije. Neki su raniji modeli tektonike ploča uzimali da ploče plove na vrhu konvekcijskih polja kao pokretne trake. Međutim, većina današnjih naučnika smatra da astenosfera nije dovoljno jaka da direktno uzrokuje pomeranja trenjem tih osnovnih sila. Povlačenje ploče je široko prihvaćeno kao dominantna sila koja deluje na ploče. Današnji modeli upućuju na to da usisavanje na mestu jaruga takođe igra važnu ulogu. Ipak, treba uzeti u obzir da Severnoamerička ploča, na primer, nigde nije subdukovana, a ipak se kreće, kao i Afrička, Evroazijska i Antarktička ploča. Sveobuhvatna pokretačka sila za pomeranje ploča i njen izvor energije ostaju predmet daljnjih istraživanja.

Spoljne sile uredi

U istraživanju koje je objavljeno u januarsko-februarskom broju časopisa 2006. godine Američkog geološkog društva, grupa italijanskih i američkih naučnika prosudila je da se ploče pomeraju prema zapadu zbog Zemljine rotacije i rezultujućeg trenja usled Mesečeve gravitacije. Kako Zemlja rotira istočno u odnosu na Mesec, njegova gravitacija lagano gura Zemljin površinski sloj nazad prema zapadu. Takođe je pretpostavljeno (premda kontroverzno) da ovo može objasniti zašto Venera i Mars nemaju tektoniku ploča, Venera nema mesec, a Marsovi meseci su premali da bi mogli imati gravitacijski uticaj na Mars.

Međutim, ovo nije novi argument - izvorno ga je pretpostavio Alfred Vegener, a suprotstavio mu se fizičar Harold Džefris, koji je izračunao da bi potrebna magnituda trenja uzrokovanog Mesečevom gravitacijom vrlo brzo zaustavila rotaciju Zemlje. Mnoge ploče se pomeraju prema severu i prema istoku, a dominantno pomeranje prema zapadu Pacifičkog basena proizlazi iz odstupanja pacifičkog centra širenja prema istoku (što nije predviđena manifestacija lunarnih sila). Ipak, pretpostavljeno je da, relativno prema donjem omotaču, kod svih ploča postoji neznatna komponentna pomeranja prema zapadu.

Relativni značaj svakog mehanizma uredi

 
Pomeranje ploča zasnovano na podacima NASA GPS satelita JPLArhivirano na sajtu Wayback Machine (21. jul 2011). Vektori pokazuju smer i magnitudu kretanja.

Stvarni vektor pomeranja ploča mora biti funkcija svih sila koje deluju na ploču. Doduše, tako ostaje nejasan stepen uticaja pojedinih procesa koji deluju na pojedine tektonske ploče.

Raznolikost geodinamičkih okvira i svojstava pojedine ploče mora jasno rezultovati u razlikama stepena uticaja takvih procesa na pokretanje ploče. Jedna metoda rešavanja ovog problema je uzimanje u obzir brzine pomeranja pojedine ploče i dostupnih argumenata za svaku pokretačku silu ploče, koliko god je to moguće.

Jedna od najznačajnijih nađenih korelacija jeste da se ploče prikačene na subdukovanu ploču pomeraju mnogo brže od onih koje to nisu. Na primer, Pacifička ploča je većim delom okružena subdukcijskim zonama (tzv. Vatreni prsten) i pomera se mnogo brže nego ploče Atlantskog basena, koje su prikačene (možda bi se moglo reći zavarene) na susedne kontinente umesto za subdukovanu ploču. Stoga se smatra da su sile povezane s pločom, koja se kreće prema dole (guranje ploče i usisavanje ploče), pokretačke sile koje određuju pomeranje ploče.

Uprkos tome, pokretačke sile pomeranja ploča su još uvek veoma aktivna tema rasprava i istraživanja u geofizičkoj zajednici.

Tektonske ploče uredi

Najveće ploče su:

U značajne manje ploče spadaju Arabijska ploča, Karipska ploča, Huan de Fuka ploča, Naska ploča, Filipinska ploča i Scotia ploča.

Pomeranje ploča je uzrokovalo nastajanje i raspadanje kontinenata kroz vreme, uključujući povremene nastanke superkontinenta koji su činile većina ili sve kontinente. Smatra se da je prvi superkontinent Rodina nastao pre negde oko milijardu godina i da je bio sačinjen od većine Zemljinih kontinenata, a da se raspao na pet kontinenata pre negde oko 600 miliona godina. Pomeranje ploča uzrokovalo je formiranje i dezintegraciju kontinenata kroz geološko vreme, uključujući povremeno formiranje superkontinenata, koji su uključivali većinu ili sve kontinente. Najpoznatiji superkontinent bila je Pangea koja se raspala na Lauraziju (od koje su nastale Severna Amerika i Eurazija) i Gondvanu (od koje su nastali ostali kontinenti).

 
Raspored tektonskih ploča

Literatura uredi

Spoljašnje veze uredi