| CIKLIČNO NASTAJANJE SUPERKONTINENTOV | • superkontinent je velik kontinent, ki
vključuje večino (ali vso) obstoječo
kontinentalno litosfero
• v geološki zgodovini poznamo več takih
superkontinentov, ki so bili rekonstruirani z
različnimi metodami (katerimi?)
• nastanek: s kolizijami (akrecijo)
kontinentalnih plošč
• razpad: z riftingom kontinentalne litosfere |
| potisk s hrbta (ridge push): | drsenje oceanske litosfere z oceanskega hrbta zaradi
gravitacije (Frp); pomaga tudi povečevanje teže litosfere s starostjo |
| subdukcijski vlek (slab pull): | teža hladne, goste litosfere (Fnb), ki se spušča v plašč, se
prenaša vzdolž plošče kot vlečna sila subdukcije (Fsp) |
| odpor na hrbtu (ridge resistance) | : “trenjski upor” drsenju litosfere z oceanskega hrbta, ki
se dogaja v trdnem delu litosfere (Rr
)– to generira potrese vzdolž oceanskih hrbtov.
Odpor je mnogo manjši kot sila potiska s hrbta |
| vlek plašča (mantle drag): | sila, ki se pojavi, če se litosferska plošča premika z drugačno
hitrostjo kot astenosferski plašč ki je z njo v stiku (Rd). Lahko zavira ali pospešuje
premikanje plošče. Sila je skoraj 10x večja pod kontinenti kot pod oceani (verjetno zaradi
znatno večje debeline kontinentalne litosfere). |
| odpor proti tonjenju plošče (slab resistance): | sila, ki se upira rinjenju toneče plošče v
astenosfero (Rs). Deluje predvsem na konico plošče; je skoraj 10x večja od vleka plašča |
| odpor proti zvijanju plošče (bending resistance): | sila, ki se upira fleksurnemu
upogibanju toneče plošče na pregibu v subdukcijsko cono (Rb) |
| trenje na stiku plošč (overriding plate resistance): | sila trenja na stiku spodnje in zgornje
plošče na vhodu v subdukcijsko cono (Ro). Ta sila proizvaja potrese in tektonsko
aktivnost v plitvem delu litosfere nad subdukcijsko cono |
| SILE KI DELUJEJO NA LITOSFERSKE PLOŠČE | SILE KI DELUJEJO NA LITOSFERSKE PLOŠČE
• če je Fsp = Rs+Ro bo plošča tonila s stalno hitrostjo
• če je Fsp > Rs+Ro bo plošča tonila hitreje in bodo v njej nastajale natezne napetosti
• če je Fsp < Rs+Ro bo plošča tonila počasneje in bodo v njej nastajale tlačne napetosti
(vemo, da se napetostno stanje znotraj toneče plošče vidi iz tipa potresov v območju c v Benioffovi coni) |
| KAJ PREMIKA LITOSFERSKE PLOŠČE? | Očitno sile na robovih plošč!
• hitrosti premikanja plošč so neovisne od
površine – če bi bile hitrosti odvisne od vleka
plašča, bi se povečevale z velikostjo kontaktne
površine
• plošče, ki so pritrjene na tonečo litosfero v
subdukcijskih conah, se premikajo hitro – očitno
je sila vleka toneče plošče mnogo večja od
ostalih sil
• kontinentalne plošče se premikajo počasneje od
oceanskih – vlek plašča premikanje očitno
zavira, ne pa omogoča
• ocenjujejo, da sila subdukcijskega vleka
znaša okoli 95% vseh sil, ki delujejo na plošče! |
| KONVEKCIJA V PLAŠČU | • konvekcijsko kroženje v fluidu se pojavi zaradi razlike v vzgonu med lažjim in gostejšim
materialom
• Rayleigh-Bernardova konvekcija nastopi pri segrevanju fluida od spodaj s hkratnim
ohlajanjem na površini (kadar sile vzgona premagajo učinke viskoznosti in termične difuzije)
• kvantitativno razumevanje konvekcije v plašču zapletajo naslednji dejavniki:
• sferična oblika Zemlje
• gretje ne samo od spodaj (jedro), ampak tudi znotraj plašča (radioaktivnost!)
• vpliv toge litosfere na površju |
| ENOTNA ALI DVONIVOJSKA KONVEKCIJA? | • meja med zgornjim in spodnjim plaščem je seizmična diskontinuiteta s prehodnim
območjem – jo konvekcijski tokovi lahko prebijejo?
• po klasični geokemični interpretaciji izvora navadnih oceanskih bazaltov (MORB, midocean ridge basalts) in bazaltov iz oceanskih vulkanov vročih točk (OIB, ocean island
basalts) izvirajo MORB bazalti iz zgornjega, “osiromašenega” plašča, v katerega se
reciklirajo tudi subducirane plošče. Spodnji plašč pa naj bi imel bolj “prvotno” izotopsko
sestavo; iz njega s stebrnimi tokovi prihajajo magme za OIB bazalte.
• zato so prvotni modeli predvidevali, da sta v plašču dva ločena konvekcijska sistema |
| SEIZMIČNA TOMOGRAFIJA | • teleseizmična tomografija je v principu podobna tehnika kot medicinska tomografija
• hitrost potovanja seizmičnih valov skozi kamnino je odvisna od več dejavnikov (agregatnega stanja –prisotnost taline ali ne, sestave – litološka, mineraloška, kemična, in temperature)
• s primerjavo dejanskih časov potovanja potresnih valov s teoretičnim “idealnim” modelom Zemlje lahko pridemo do 3D slike “anomalij” v podpovršju
• običajno se v tomografskih modelih interpretira “hladne” (koreni kontinentov, subducirane oceanske plošče) in “vroče” (vroče točke, tokovni stebri) anomalije
N.B.: tomografske slike so lahko zelo atraktivne, a
seizmologi opozarjajo, da je interpretacija pogosto
zelo dvoumna in nezanesljiva! |
| SEIZMIČNA TOMOGRAFIJA | največje anomalije so prisotne pri vrhu in dnu plašča (pričakovano – termični meji)
• v vrhnjih 200 km se anomalije skladajo s tektonskimi značilnostmi površja
• nizke hitrosti valov: sredoceanski hrbti, Vzhodnoafriški jarek, pacifiški zaločni bazeni
• visoke hitrosti valov: kontinenti, posebej predkambrijski ščiti; stara oceanska litosfera
• odraz temperaturnih gradientov oziroma debeline litosfere
• pod 300 km se razlike močno zmanjšajo
• viden pas visokih hitrosti okoli Pacifika –subducirana oceanska litosfera?
• pod 2000 km najbolj izrazita značilnost veliki območji nižjih hitrosti pod Pacifikom in južno Afriko
v zgornjem delu plašča se valovi razširjajo anizotropno – hitrejše se širijo v smereh, ki
so pogojene z orientacijo mineralov oz. s smermi deformiranja kamnin
• iz tega sklepamo na smeri tečenja plašča – dobro se ujemajo s smermi premikov
litosferskih plošč
• pod oceanskimi hrbti in v okolici subdukcijskih con je anizotropija vertikalna
• spodnji plašč pa je večinoma izotropen |
| SEIZMIČNA TOMOGRAFIJA | • območji nizkih hitrosti na meji z jedrom ležita
točno pod afriško in pacifiško “superbulo” na
površju Zemlje – območji anomalno velikih
višin (odstopanj od okrogle oblike Zemlje)
• najverjetneje vroč material plašča dinamično
podpira to anomalno topografijo
• anomalno nizka topografija je na območju
Indonezije – ujema se s “hladnim” območjem
v prehodnem plašču in zg. delu spodnjega
plašča (verjetno subducirana litosfera)
• ali dinamika plašča usmerja lokalizirana
pogrezanja in dviganja skorje, ki jih
poznamo iz stratigrafskega zapisa
(transgresije in regresije)? |
| MODEL KONVEKCIJE V PLAŠČU | • do globine ~2000 km je plašč relativno homogene sestave (in “osiromašen” in “razplinjen”)
• zgornji del plašča je dobro premešan, spodnji pa se meša mnogo počasneje in je ohranil bolj “primarno” sestavo, dodatno obogateno z železom in radioaktivnimi prvinami (modeliranje kaže, da je dovolj 4% razlike v gostoti, da se ne bosta mešala)
• meja med njima je zelo nepravilne oblike
• mlajše (“vroče”) oceanske plošče subducirajo le do prehodne cone ~670 km
• starejše (težje) plošče lahko subducirajo vse do globokega plašča (“pokopališče plošč”)
• vroče točke se napajajo s stebrnimi tokovi, ki izvirajo z zgornje meje izoliranega spodnjega plašča
• N.B.: to je le en od modelov, ki poskušajo uskladiti tomografske, petrološke in geokemične podatke |
| STEBRNI TOKOVI V PLAŠČU | • omenili smo že klasično interpretacijo vročih
točk kot mest, kjer pod litosfero prodirajo vroči
stebrni tokovi iz spodnjega dela plašča
• nekatere vroče točke zanesljivo niso povezane s
stebrnimi tokovi (Islandija), ampak s plitvimmi
magmatskimi procesi; za nekatere (Havaji) pa
obstajajo (sporni) tomografski dokazi za
dotekanje materiala iz spodnjega plašča
• obstoj/neobstoj stebrnih tokov je trenutno še
odprto vprašanje in področje aktivnih raziskav |
| TEKTONIKA PLOŠČ IN IZVOR ZEMLJINE SKORJE | felzična kontinentalna skorja je posebnost Zemlje; noben drug planet v Osončju nima primerljive (nekaj jo je le na Marsu)
• tektonika plošč na Zemlji
• obilo tekoče vode na Zemlji
• kontinentalna skorja je močno diferencirana glede na izvorno ultramafično hondritsko sestavo proto-Zemlje
• nekompatibilni elementi so tisti, ki se ne vključujejo v minerale, stabilne v fizikalnih pogojih plašča in se zato pri taljenju prvi izločijo v magmatsko talino in z njo zapustijo plašč
• LILE (large ion litophile elements) so “litosferoljubni” elementi (K, Rb, Sr, Ba, Ce,...)
kontinentalna skorja obsega le 0,35% mase
Zemlje oz. 0,60% mase silikatne Zemlje
(brez kovinskega jedra), vendar vsebuje do
70% določenih inkompatibilnih elementov
Zemlje
• kontinentalna skorja je tudi izjemno
“trdoživa”; najstarejši ohranjeni primerki so
stari ~4 Ga (najstarejša oceanska skorja
~200 Ma) |
| NAJSTAREJŠA OHRANJENA SKORJA NA ZEMLJI | • jedra današnjih kontinentov tvorijo kratoni – kontinentalna skorja predkambrijske,
večinoma arhajske starosti
• litosfera kratonov je izjemno debela (>200 km)
• zelo nizek je topolotni tok (termična in tektonska stabilnost)
• litosferski koreni kratonov so se stabilizirali že v arhaiku (izotopski podatki iz ksenolitov)
razkriti del kratona (kjer izdanjajo predkambrijske kamnine na površju) imenujemo ščit
• del kratona, ki ga prekriva tanek pokrov mlajših sedimentnih kamnin (praviloma bolj ali
manj nedeformiranih), imenujemo platforma
• kratoni so kompleksno zgrajeni – sestavljajo jih predkambrijske province, ki jih spajajo
šivi in pasovi močno deformiranih kamnin (kolizijski orogeni |
| TEKTONIKA PLOŠČ V HADU IN ARHAIKU? | had je obdobje prvih ~750 Ma Zemljine zgodovine, iz katerega nimamo praktično nobenih ostankov – “skrita doba”
• vendar že najstarejši znani minerali (4,4 Ga star cirkon iz Avstralije) nakazujejo prisotnost granitne skorj(ic)e kontinentalnega tipa!
• separacija kovinskega jedra Zemlje, intenzivno bombandiranje meteoritov
3x večja produkcija radiogene toplote, veliko
višja temperatura plašča (100°- 300°) - majhna
viskoznost, visoka vrednost Rayleighovega
števila
• konvekcija v plašču je bila hitra, verjetno
turbulentna in kaotična (neorganizirana v celice)
• je bila tektonika plošč mnogo hitrejša, plošče pa
manjše?
• ali pa je bila zaradi večje toplote le litosfera
tanjša, premikanje pa počasnejše zaradi
manjših sil (ridge push, slab pull)? |
| PRVOTNA (PRIMITIVNA) SKORJA? | • planeti Osončja (Merkur, Mars, tudi Luna) imajo
izgleda primarno (primitivno) skorjo, ki je
nastala kmalu po akreciji, verjetno zaradi
splošnega taljenja ob katastrofalnih trkih
protoplanetov
• Luna: v oceanu magme se na vrhu naberejo
lahki kristali plagioklazov (in nekaj piroksenov),
težki kristali olivina in piroksenov pa so potonili
na dno
• na površini Lune tako nastane skorja iz
anortozita, kamnine ki jo gradijo skoraj
izključno plagioklaz |
| PRVOTNA (PRIMITIVNA) SKORJA? | • na Zemlji doslej nismo našli ostankov primitivne skorje (uničena v kasnejših procesih?)
• anortozitna primitivna skorja na Zemlji ne bi mogla nastati, ker plagioklazi ne bi plavali na vrhu oceana magme zaradi njegove velike vsebnosti vode
• N.B.: sicer poznamo arhajske anortozite, vendar so zanesljivo kasnejšega nastanka
• felzična skorja bi lahko nastala z delnim taljenjem in frakcionirano kristalizacijo bazalta (malo verjetno, temperature so previsoke –
morda le lokalno, 4400 Ma stari cirkoni!)
• najverjetneje je bila primarna skorja mafične do ultramafične sestave
• bazalt (nastane lahko tako na površju oceana magme kot z delnim taljenjem plašča in magmatsko aktivnostjo)
• morda tudi komatiit – vulkanska kamnina ultramafične sestave
• najverjetneje je bila primarna skorja mafične do
ultramafične sestave
• bazalt (nastane lahko tako na površju oceana
magme kot z delnim taljenjem plašča in magmatsko aktivnostjo)
• morda tudi komatiit – vulkanska kamnina ultramafične sestave |
| NASTANEK KONTINENTALNE SKORJE V ARHAIKU | • arhajska kontinentalna skorja, ki gradi kratone, je bolj vmesne sestave (tj. med mafično in felzično) kot kasnejša granitna skorja – združba TTG (tonalit-trondhjemitgranodiorit)
• (TTG kamnine imajo več Na in manj K kot granit)
• njihov nastanek razlagamo z večkratno zaporedno diferenciacijo bazalta
• tektonika plošč v starejšem arhaiku najverjetneje še ni potekala – prevroča in prelahka oceanska skorja za subdukcijo
• možna razlaga diferenciacije TTG:
• vroča in debela oceanska skorja v globini metamorfno prehaja v amfibolit in eklogit, ter se zaradi teže lomi in tone v plašč
• taljenje odlomljenih fragmentov da izvorno talino za TTG
• dekompresija peridotitnega plašča, ki “zaliva” prazen prostor, daje bazaltno talino |
| NASTANEK KONTINENTALNE SKORJE V ARHAIKU | • tektonika plošč v starejšem arhaiku
najverjetneje še ni potekala – prevroča in
prelahka oceanska skorja za subdukcijo
• možna razlaga diferenciacije TTG:
• vroča in debela oceanska skorja v globini
metamorfno prehaja v amfibolit in eklogit, ter se
zaradi teže lomi in tone v plašč
• taljenje odlomljenih fragmentov da izvorno
talino za TTG
• dekompresija peridotitnega plašča, ki “zaliva”
prazen prostor, daje bazaltno talino |
| PREHOD IZ ARHAIKA V PROTEROZOIK | • oceanska skorja se je dovolj ohladila za subdukcijo pred okoli 3 Ga – začetek tektonike plošč kot jo poznamo danes
• takrat so bili kontinentalni kratoni tudi že dovolj stabilizirani in se niso reciklirali nazaj v plašč
• robovi kratonov predstavljajo linearne ovire za razširjanje oceanske skorje – iniciacija subdukcijskih con
Vloga vode pri nastajanju felzične skorje pri
subdukciji:
• v oceanih se bazaltna skorja močno hidratizira
• prisotnost vode niža tališče in omogoča
nastajanje zelo diferencirane taline (felzične
iz mafičnega vira)
• prisotnost vode vpliva na sestavo taline
(kemijska ravnotežja pri taljenju) |
| RAST KONTINENTALNE SKORJE S PROCESI TEKTONIKE PLOŠČ | • nastajanje andezitne skorje v oceanskih vulkanskih otočnih lokih
• (N.B.: v predkambriju so bile temperature plašča toliko višje, da je bil
verjetno pomemben dejavnik tudi taljenje subducirane plošče, ki se
danes dogaja le izjemoma)
• nastajanje felzičnih intruzij in vulkanizma na subdukcijskih konvergentnih robovih kontinentov
• kolizijska akrecija otočnih lokov in oceanskih platojev na kontinente
• vtiskanje od spodaj (underplating): mafične intruzije v kontinentalno skorjo, ki izvirajo iz plašča
• LIPs – masovni bazaltni vulkanizem na kontinentih (povezan z vtiskanjem mafične magme nad vročimi točkami)
• bazaltni vullkanizem pri riftanju |
| Izgube kontinentalne skorje: | Izgube kontinentalne skorje:
• erozija kontinentov, akumulacija sedimentov v oceanih in nazadnje subdukcija –
minimalno 70% sedimentov potone v subdukcijsko cono
• deloma se subducirani material vrne v nazaj kontinente s subdukcijskim magmatizmom –
to še povečuje diferenciranost kontinentalne skorje
• subdukcijska erozija: subdukcija lahko trga in povleče s sabo tudi dele zgornje plošče
• delaminacija litosfere: spodnji del litosfere se po faznem prehodu v eklogit lahko zaradi
povečane teže odcepi in potone v plašč
• del kontinentalne skorje se torej reciklira nazaj v plašč |
| RAST KONTINENTALNE SKORJE S PROCESI TEKTONIKE PLOŠČ | • izotopski podatki (U-Pb, Nb/Th, Nb/U) kažejo, da je je nova kontinentalna skorja nastajala epizodno, z glavnima sunkoma pred ~ 2,7 Ga in 1,9 Ga
• (N.B.: nova – juvenilna – skorja je tista, ki izvira iz plašča, ne iz recikliranega kontinentalnega materiala)
• 45% danes obstoječe kontinentalne skorje nastane že v arhaiku
• le 15% nastane v zadnjih 700 Ma
• procesi tektonike plošč so omogočili nadaljno diferenciacijo kontinentalne skorje – od proterozoika dalje prevladuje granitna (felzična) sestava
• (časovni trend sestave: bazalt – TTG –granit)
že v proterozoiku nastanejo obsežni
kolizijski orogenski pasovi, ki spajajo
arhajske kontinentalne enote |
| PRIMER: PACIFIŠKA OBALA SEVERNE AMERIKE | pripajanje manjših blokov skorje (otočni loki, mikrokontinenti in
spajanje večjih kontinentalnih enot
• kolizijske oz. orogenske stike imenujemo tudi “mobilni pasovi”
• šivi (suture) so kolizijski stiki, kjer je v subdukcijski con izginil vmesni ocean
• manjše kontinentalne bloke z različnim izvorom znotraj večjega kontinenta imenujemo tereni; če je njihov izvor nejasen, pa tudi eksotični teren |
| CIKLIČNO NASTAJANJE SUPERKONTINENTOV | • superkontinent je velik kontinent, ki
vključuje večino (ali vso) obstoječo
kontinentalno litosfero
• v geološki zgodovini poznamo več takih
superkontinentov, ki so bili rekonstruirani z
različnimi metodami (katerimi?)
• nastanek: s kolizijami (akrecijo)
kontinentalnih plošč
• razpad: z riftingom kontinentalne litosfere |
