Większość ludzi wie, że oceany pokrywają około 70 procent powierzchni Ziemi. Mniej osób zdaje sobie sprawę, że skorupa pod oceanami i kontynentami jest zasadniczo różna. Dlaczego tak jest, pozostaje zagadką, którą naukowcy wciąż próbują rozwiązać.
Skorupa oceaniczna składa się na ogół z ciemno zabarwionych skał zwanych bazaltem i gabro. Jest ona cieńsza i gęstsza niż skorupa kontynentalna, która jest zbudowana z jasnych skał zwanych andezytem i granitem. Niska gęstość skorupy kontynentalnej powoduje, że „unosi się” ona wysoko na szczycie lepkiego płaszcza, tworząc suche lądy. I odwrotnie, gęsta skorupa oceaniczna nie „unosi się” tak wysoko, tworząc niżej położone baseny oceaniczne. Gdy skorupa oceaniczna stygnie, staje się gęstsza i ostatecznie zapada się z powrotem w płaszcz pod własnym ciężarem po około 200 milionach lat.
Z drugiej strony, skorupa kontynentalna Ziemi ma do 4 miliardów lat i uważa się, że jest produktem geologicznych procesów recyklingu, o wiele bardziej skomplikowanych niż te, które tworzą skorupę oceaniczną. Jeśli uda nam się rozszyfrować i odczytać stosunkowo prostą historię powstawania skorupy oceanicznej, być może pewnego dnia będziemy w stanie rozszyfrować bardziej złożony zapis tego, jak rozwijały się kontynenty.
Wykrywanie struktury dna morskiego
Ponieważ większość skorupy oceanicznej jest ukryta przed wzrokiem pod wielokilometrową warstwą wody, nasze badania muszą być prowadzone „zdalnie”, często przy użyciu technik akustycznych. Dźwięk – pochodzący z trzęsienia ziemi, eksplozji lub stosunkowo łagodnego źródła znanego jako airgun – przemieszcza się przez różne skały z różną prędkością. Geofizycy wnioskują o podstawowej strukturze geologicznej zalegających skał, mierząc czas, jaki dźwięk potrzebuje na przebycie drogi od jednego źródła do wielu różnych odbiorników lub od wielu źródeł do jednego odbiornika.
W oceanach technika ta dała prosty obraz bazaltowej, warstwowej skorupy o grubości około 7 kilometrów (4,3 mil), podścielonej płaszczem. Próbki skalne uzyskane za pomocą pogłębiania, operacji podwodnych i wierceń potwierdzają, że górna część skorupy oceanicznej, tam gdzie nie jest przesłonięta osadami, składa się z lawy bazaltowej pochodzącej z płaszcza.
Na początku nowoczesnej teorii tektoniki płyt w latach 60. ubiegłego wieku geolodzy i geofizycy zdali sobie sprawę, że cała skorupa oceaniczna powstała z lawy bazaltowej wzdłuż liniowych łańcuchów wulkanów dna morskiego, znanych jako grzbiety śródoceaniczne lub grzbiety rozrzutu. Rozprzestrzenianie się dna morskiego przenosi starszą skorupę oceaniczną z dala od grzbietów przez dziesiątki milionów lat, aż ostygnie, stanie się gęstsza i „spadnie” z powrotem do płaszcza w obszarach zwanych strefami subdukcji.
Wskazówki dna morskiego na pustyni
W kilku miejscach na Ziemi bloki skorupy oceanicznej, zwane „ophiolitami”, zostały wyrzucone, stosunkowo nienaruszone, na kontynenty podczas kolizji płyt tektonicznych. Przechylenie i następująca po nim erozja pozwalają naukowcom przejść przez sekcję, która kiedyś rozciągała się na 25 kilometrów (15 mil) w głąb Ziemi. Największy i najlepiej wyeksponowany z nich, ophiolit omański w pobliżu Zatoki Perskiej, składa się z około dziesięciu bloków, które razem pokrywają mniej więcej taki sam obszar jak Massachusetts.
Wielki zasięg tych ophiolitów, niegdyś głęboko pod dnem morskim, a teraz wyeksponowany, zapewnia kompleksowy widok wewnętrznej geometrii płyt oceanicznych, który jest nieporównywalny z żadną techniką próbkowania lub obrazowania na morzu. Jak odłamki garnków pokryte hieroglifami, ophiolity otwierają okno na starożytny, w dużej mierze zaginiony świat i zapewniają rzadką drogę do systematycznych badań.
Pod koniec lat 60. i na początku 70. geolodzy i geofizycy zaobserwowali podobieństwa między warstwową strukturą skorupy oceanicznej, interpretowaną na podstawie prędkości dźwięku, a warstwowością w ophiolitach. Cienka, górna warstwa w skorupie oceanicznej (o niskich prędkościach dźwięku) odpowiada warstwie osadów i strumieni lawy w ophiolitach. Głębsza warstwa (o większych prędkościach dźwięku) odpowiada warstwie gabro w ophiolicie, która powstała, gdy stopiony bazalt zastygł pod powierzchnią Ziemi. Zarówno w skorupie oceanicznej, jak i w ophiolitach, warstwa gabro znajduje się pod płaszczem, który rozciąga się tysiące kilometrów w dół, aż do jądra Ziemi.
Uderzającą cechą dobrze naświetlonych ophiolitów jest ciągła warstwa „wałów arkuszowych”, która leży między lawą a gabro. Są to tabularne formacje skalne, o szerokości około metra, powstałe w wyniku okresowych wybuchów stopionej skały. Wały stoją obok siebie, jak żołnierze w formacji, każdy wał przylega do sąsiednich, a czasem pochyla się lub wdziera w nie.
Ten powtarzający się wzór strukturalny występuje, ponieważ cała skorupa oceaniczna jest nowo tworzona na rozprzestrzeniających się grzbietach śródoceanicznych w rodzaju ciągłego przenośnika taśmowego: Każdy wał, w prostym ujęciu, tworzy się bezpośrednio w centrum grzbietu. Następnie rozprzestrzenia się od centrum grzbietu, podczas gdy za nim formują się kolejne wały, w ciągłym procesie, który tworzy ciągłą warstwę obserwowaną w ophiolitach. Nic takiego nie dzieje się w skorupie kontynentalnej, gdzie nowe wały bardziej losowo intruzują starszą skałę.
Podążając za prądem
W latach 70. i 80. geofizycy i geolodzy starali się zrozumieć, jak lawa bazaltowa tworzy się pod grzbietami. Wysunęli oni teorię, że ponieważ płyty oceaniczne rozsuwają się na powierzchni, nowy materiał musi się podnieść, aby wypełnić powstałą lukę. Gdy materiał się podnosi, zmniejsza się ciśnienie, które pomaga utrzymać go w stanie stałym. Dzięki temu gorące skały płaszcza mogą się częściowo stopić i wytworzyć płyn bazaltowy. Ten tak zwany „topik” ma mniejszą gęstość niż otaczające go ciała stałe, a więc wypornie unosi się na powierzchnię, tworząc skorupę ziemską.
Jednakże teoria ta rodzi tyle samo pytań, co odpowiedzi. Ze składu lawy wiemy, że z ogromnej objętości skał płaszcza tylko niewielkie ilości skał częściowo topnieją, tworząc skorupę oceaniczną. Stopienie tworzy się w porach o wielkości mikrona wzdłuż granic niezliczonych ziaren krystalicznych w regionie płaszcza o szerokości 100-200 kilometrów i głębokości 100 kilometrów. Z tego ogromnego obszaru, stopiony materiał jest jednak w jakiś sposób skupiony w strefie o szerokości zaledwie 5 kilometrów na grzbiecie. Jak lawa jest kierowana z maleńkich porów w szerokim regionie topnienia do wąskiego obszaru, gdzie tworzy nową skorupę oceaniczną zwieńczoną masywnymi lawami?
Moimi współpracownikami w zgłębianiu tej tajemnicy, pracującymi w różnych kombinacjach, byli Greg Hirth, Nobu Shimizu i Jack Whitehead z Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), Marc Spiegelman z Lamont-Doherty Earth Observatory, francuscy geolodzy Adolphe Nicolas i Françoise Boudier, student Massachusetts Institute of Technology, Vincent Salters, oraz studenci MIT/WHOI Joint Program: Einat Aharonov, Mike Braun, Ken Koga i Jun Kornaga. Nasze badania były finansowane przez U.S. National Science Foundation, program WHOI Interdisciplinary and Independent Study Award oraz Adams Chair w WHOI.
Wykazaliśmy, że stopiony materiał przemieszcza się przez płaszcz w porowatych kanałach, podobnych do kanałów wypełnionych żwirem, które zapewniają przepuszczalne ścieżki przez glebę bogatą w glinę. Roztopiony materiał wznoszący się w gorącym płaszczu może częściowo rozpuszczać otaczające go minerały i stopniowo powiększać pory wzdłuż granic pomiędzy poszczególnymi ziarnami kryształów. To z kolei tworzy korzystną ścieżkę, przez którą może przepływać więcej stopionego materiału – pętla pozytywnego sprzężenia zwrotnego, która spontanicznie tworzy kanały skupiające przepływ.
Małe kanały utworzone w ten sposób łączą się w większe kanały, w sieć analogiczną do systemu odwadniania rzek. Liczba i rozmiar kanałów przepływu stopionego metalu, które obserwujemy w płaszczowej części opolitów, potwierdza te teorie.
Soczewki stopionego metalu i okresowe wybuchy
Powstały nowe pytania. Jeśli stopiony materiał przepływa przez płaszcz w mikroskalowych porach wzdłuż granic ziaren krystalicznych, to gdzie się gromadzi tworząc masywne strumienie lawy na grzbietach rozprzestrzeniania się? I jeśli porowaty przepływ jest ciągłym, stopniowym procesem, co powoduje okresowe wybuchy stopionej skały, które tworzą nowe wały?
Po raz kolejny ophiolit Omanu dostarczył wskazówek. Osadzeni w najpłytszych skałach płaszcza, Nicolas i Boudier znaleźli małe formacje gabro, zwane sillami. Analizy chemiczne tych żłobków wykazały, że krystalizowały one z tego samego stopu, który tworzył gabro, groty i strumienie lawy w skorupie ziemskiej. Dodatkowo, gabro, wały i strumienie lawy miały identyczny, charakterystyczny wzór naprzemiennych pasm ciemnych i jasnych minerałów.
Wydawało nam się, że cała warstwa gabro w omańskiej skorupie ophiolitowej, od najwyższego płaszcza do powierzchni, mogła powstać, gdy materiał stopiony okresowo zbierał się we względnie małych basenach, które następnie krystalizowały w stałe „soczewki stopione”. Z czasem, niezliczona ilość takich soczewek topnienia gromadzi się – osadzona jedna w drugiej, ułożona jedna na drugiej lub obok siebie – tworząc skalistą, pasmową strukturę gabro.
Zatkane pory budują ciśnienie
Dlaczego soczewki topnienia pojawiają się najpierw w górnym płaszczu, bezpośrednio pod podstawą skorupy? Proponujemy, by takie soczewki tworzyły się tam, gdzie topik, zbliżając się do dna morskiego, zaczyna stygnąć. Roztopiony materiał wznoszący się w gorącym płaszczu może rozpuszczać otaczające go minerały, tworząc przestrzenie porowe, ale stygnący topik zacznie się krystalizować i zatykać pory.
Możliwe są dwa scenariusze: Gdy dopływ stopionego materiału z dołu jest niski, przewody stają się węższe. Stopiony materiał jest wypychany na zewnątrz wokół nieprzepuszczalnych barier, migrując poprzez rozproszony porowaty przepływ wzdłuż granic ziaren krystalicznych w otaczającej skale.
Ale kiedy podaż stopionego materiału jest duża, jak to ma miejsce bezpośrednio pod grzbietem, wyporny stopiony materiał gromadzi się pod nieprzepuszczalnymi barierami i wytwarza nadciśnienie. Ostatecznie, stopiony materiał przebija się przez bariery i tworzy wypełnione stopionym materiałem pęknięcie, które wdziera się do skorupy. Jeśli pęknięcie rozprzestrzeni się wystarczająco wysoko w skorupie, utworzy wał, a jeśli sięgnie jeszcze wyżej, wyleje się na dno morskie i zasili strumień lawy.
W tym cyklu gromadzenia i uwalniania minerały na przemian krystalizują i topią się w warunkach wyższego i niższego ciśnienia. Przy stosunkowo wysokim ciśnieniu powstaje znacznie mniej jasnych minerałów (plagioklazów) w porównaniu z ciemniejszymi. Przy niższym ciśnieniu udział plagioklazu jest większy. Tak więc, okresowe zmiany ciśnienia skutkują jasno-ciemnym pasmowaniem obserwowanym w gabroszach ophiolitowych.
Ścieżki największego oporu
Pracując na podstawie dowodów geologicznych w ophiolitach, wraz z teorią fizyczną i chemiczną, wysunęliśmy hipotezę, że istnieją dwie różne drogi transportu stopionego materiału, który tworzy skorupę oceaniczną. W regionie topnienia w płaszczu, stopiony materiał może rozpuszczać minerały i tworzyć dodatkową przestrzeń porową. W rezultacie ciągłe, wysokoporowate kanały tworzą koalescencyjną sieć drenującą, która skupia transport stopionego materiału do grzbietu.
Na płytkich poziomach poniżej grzbietu, stygnący stop zaczyna krystalizować, zatykając przestrzeń porową wzdłuż granic ziaren krystalicznych. W wyniku tego przepływ staje się rozproszony, a stopiony materiał gromadzi się pod nieprzepuszczalnymi barierami. Ciśnienie wzrasta do momentu, gdy stopiony materiał okresowo przebija się przez leżące nad nim bariery, a wypełnione stopionym materiałem szczeliny są wstrzykiwane w leżące nad nimi skały, zasilając tamy i strumienie lawy. Łącznie procesy te tworzą wysoce zorganizowany system, który konsekwentnie produkuje nową skorupę oceaniczną o regularnej strukturze wzdłuż grzbietów spływu.
W naszych bieżących badaniach bardziej rygorystycznie testujemy teorie dotyczące powstawania porowatych kanałów w płaszczu. Staramy się zrozumieć bardziej szczegółowo, w jaki sposób soczewki roztopowe tworzą się pod grzbietami spreadingowymi. Chcemy też poznać czynniki, które decydują o tym, kiedy i dlaczego dochodzi do erupcji.
Poznanie uniwersalnego wzorca przepływu płynów
Istnieją intrygujące podobieństwa między mechanizmami, które prowadzą do tworzenia się dna morskiego i erozji na powierzchni Ziemi.
Wyobraźmy sobie wodę płynącą po piaszczystej powierzchni. Tam, gdzie zbocze jest wystarczająco strome (ale nie za strome), woda zaczyna przesuwać ziarna piasku w dół i tworzyć kanały. W miarę jak kanały się rozrastają, woda płynie szybciej, co prowadzi do bardziej energicznej erozji piasku na wiodącej krawędzi przepływu. Analogiczny proces zachodzi pod dnem morskim, gdy podnoszący się, gorący topnik rozpuszcza minerały w skałach, tworząc porowate kanały.
Gdy nachylenie zbocza zmniejsza się w dół systemu erozyjnego, woda zaczyna osadzać ziarna piasku, które były niesione w zawiesinie. Osadzone ziarna zaczynają budować bariery, które blokują przepływ i zmuszają go do zmiany kierunku z dala od głównego kanału. Woda gromadzi się za tymi barierami, tworząc tymczasowe jeziora. Jeziora te okresowo przelewają się przez stare koryto i tworzą przejściowe, nowe drogi, które z kolei są zatykane i porzucane. Powstaje delta lub wachlarz aluwialny.
Analogiczne procesy zachodzą pod dnem morskim, gdy topniejące wody chłodzą się, wytrącają kryształy, które blokują przestrzenie porowe, powodują rozbieżności i akumulację przepływu, a okresowo przebijają się przez nieprzepuszczalne bariery, tworząc tamy i szczeliny.
Optymalizacja przepływu płynów
Co kryje się za tymi pozornie fundamentalnymi podobieństwami między transportem płynów podczas erozji na powierzchni Ziemi i transportem stopionego metalu w płaszczu?
Podstawowo, tam gdzie płyn ma dostępną energię do tworzenia nowych ścieżek – poprzez fizyczną erozję lub chemiczne rozpuszczanie – sieci drenażowe ewoluują od stosunkowo nieefektywnego, wolno poruszającego się, rozproszonego przepływu do szybszego, skupionego, stałego przepływu w dobrze zdefiniowanych kanałach. Tam, gdzie dochodzi do utraty energii – poprzez zmniejszenie kąta nachylenia zbocza w procesie erozji lub spadek temperatury topnienia – sieć drenarska staje się nieefektywna i zdezorganizowana, z szybkimi zmianami szybkości przepływu i lokalizacji.
Naukowcy pracujący nad ewolucją systemów odwadniających rzeki proponują, że erozja ma tendencję do tworzenia „optymalnej” sieci drenarskiej, która maksymalizuje prędkość przepływu i minimalizuje straty energii poprzez tarcie. Jest to intrygujący pomysł, oferujący wizję systematycznej, „termodynamicznej” teorii morfologii odwadniania. (Jest to również teoria kontrowersyjna, gdyż odpływy rzeczne dziedziczą wiele ze swojej skomplikowanej struktury po wcześniejszej historii geologicznej danego działu wodnego.)
Ciężko jest wykorzystać ophiolity do zbadania tematycznej teorii morfologii drenażu dla mechanizmów transportu stopionego płaszcza – ponieważ ophiolity stanowią „zamrożony” system. Zacząłem więc szukać gdzie indziej aktywnego systemu transportu płynów, który rozwinął kanały w początkowo rozproszonym wzorze przepływu.
W końcu zdałem sobie sprawę, że kanały erozyjne tworzą się dwa razy dziennie podczas przypływu na plażach całego Cape Cod. Ostrożnie, Dan Rothman, geofizyk z MIT, i ja uczymy się o erozji plaż i prowadzimy obserwacje formowania się kanałów. Mamy nadzieję ustalić, czy rozwijająca się sieć kanałów stopniowo zbliża się do „optymalnej” geometrii, która pozwala wodzie przepływać przez powierzchnię plaży przy minimalnej stracie energii spowodowanej tarciem.