Delo, Znanost - Andrej Gosar: Pol stoletja teorije o tektoniki litosferskih plošč
Teorija tektonike litosferskih plošč ima za geologijo podoben pomen kot evolucijska teorija za biologijo, čeprav je veliko mlajša. Njeni ključni elementi so se oblikovali v 60. letih 20. stoletja. Minilo je torej petdeset let, odkar je ameriški geolog Hess napisal eno temeljnih del za oblikovanje teorije z naslovom Zgodovina oceanskih bazenov. Knjiga je bila podlaga za dopolnitve teorije v naslednjih letih, zaradi česar Hessa štejejo za enega od očetov nove teorije.
Čeprav teorijo o potovanju celin največkrat pripisujejo Alfredu Wegenerju, je ideja veliko starejša. Francis Bacon je že leta 1620 opazil, da se obali Južne Amerike in Afrike ujemata nenavadno dobro, čeprav so bili takrat znani le grobi obrisi celin. Leta 1858 je Antonio Snider objavil karto, na kateri sta obe celini združeni. Leta 1910 je Frank Taylor predstavil idejo o potovanju celin, ki naj bi se premikale od tečajev na vse strani. Prvi, ki je objavil bolj prepričljive dokaze o potovanju celin, pa je bil nemški meteorolog in polarni raziskovalec Alfred Wegener. Njegova knjiga Izvor celin in oceanov (1915) vsebuje karto, ki pojasnjuje pojave poledenitve na območjih, ki so danes tropska. Domneval je, da so bile celine združene v bližini južnega tečaja pred tristo milijoni let. Tudi sam je najprej dvomil o potovanju celin, dokler ni naletel na članek, ki opisuje podobnost fosilov kopenskih živali v Južni Ameriki in Afriki, ter ugotovil, da večina paleontologov misli, da je morala nekoč obstajati kopenska povezava med celinama. Najbolj uporabni so fosili živalskih vrst, ki so živele prostorsko omejeno. Primer je mezozaver, plazilec, katerega ostanki so znani le v vzhodni Južni Ameriki in južni Afriki.
Veliko dokazov o povezanosti celin
V naslednjih desetletjih so odkrili še več drugih pričevanj, ki so podpirala Wegenerjevo idejo o tem, da so bile celine nekoč združene. Pričevanja so litološka, strukturna in paleoklimatska. Dobro se ujemajo kamnine v zahodni Afriki in vzhodni Braziliji ter na Škotskem in v Novi Fundlandiji. Nekatere gorske verige se končajo na eni strani oceana in nadaljujejo na drugi. Tak primer so Apalači na vzhodu Severne Amerike in podobna gorstva na Britanskem otočju in v Skandinaviji. Ker je bil Wegener meteorolog, se je posebej posvetil paleoklimatskim pričevanjem. Ledeniški sedimenti so pokazali, da je proti koncu paleozoika led prekrival obsežna območja na vseh celinah južne poloble. Ledeniške raze v podlagi teh sedimentov so kazale, da je led drsel iz smeri, kjer je danes morje, proti celini. Večina območij, kjer so opazovali sledove poledenitve, je danes oddaljenih manj kot trideset stopinj od ekvatorja, kjer pa ni moglo biti tako hladno. Edina možnost je bila, da so ta takrat ležala blizu južnega tečaja in da so se celine šele kasneje premaknile v svoj sedanji položaj.
Teorija o potovanju celin je bila deležna večje pozornosti šele po letu 1924, ko so Wegenerjevo knjigo prevedli iz nemščine v druge jezike. Glavni pomislek nasprotnikov je bil povezan s tem, da Wegener ni mogel zadovoljivo pojasniti mehanizma potovanja celin. Predlagal je sicer dve možnosti, privlačnost Lune in potovanje celine skozi oceansko skorjo, kar lahko primerjamo s plovbo ledolomilca skozi led. Škot Arthur Holmes je najprej postavil domnevo, da so stiki plošč morda na oceanskem dnu, nato pa leta 1928 prvi predlagal, da so konvekcijski tokovi v Zemljinem plašču tisti, ki poganjajo potovanje celin, kar je bila glede na skromne geofizikalne podatke v tistem času zelo drzna napoved.
Razpiranje oceanskega dna
Presenetljivo je znanost v letih od 1930 do 1950 le malo prispevala k potrditvi nove teorije. Takrat so namreč še zelo malo vedeli o oceanskem dnu, čeprav oceani prekrivajo več kot 70 odstotkov površja Zemlje. Po izpopolnitvi sonarja za merjenje globine morja pa so se leta 1950 začele obsežne oceanografske raziskave morskega dna, ki so pripeljale do odkritja zelo globokih jarkov ob nekaterih otočnih lokih, predvsem pa globalnega sistema oceanskih grebenov, ki se dvigajo do 3000 metrov nad dnom oceana in tvorijo povezan sistem, daljši od 60.000 kilometrov. Raziskave Atlantskega oceanskega grebena so pokazale, da poteka približno vzporedno z robovi celin. Ugotovili so tudi, da sta z oceanskim hrbtom povezani vulkanska dejavnost in povečana gostota toplotnega toka. Z razvojem opazovanja potresov se je po drugi strani pokazalo, da so žarišča potresov razporejena vzdolž razmeroma ozkih pasov, ki obrobljajo Tihi ocean, potekajo v alpsko-himalajskem pasu ali vzdolž oceanskih grebenov.
Drugo ključno območje so bila spoznanja na področju paleomagnetizma. Že med vojno so podmornice sredi Atlantskega oceana opazile nenavadno obnašanje kompasa. V 50. letih pa so odkrili in raziskali sistematične spremembe v namagnetenosti bazalta vzdolž oceanskega grebena. Že od prej je bilo znano, da se je polarnost Zemljinega magnetnega polja v geološki zgodovini večkrat obrnila in da je to zapisano v usmerjenosti magnetnih mineralov, ki so se strjevali iz magme. Zdaj so z geomagnetnimi meritvami prečno na oceanski greben ugotovili simetrične pasove normalne in obratne polarnosti v bazaltu, ki vsebuje magnetit. Na območjih normalne polarnosti, ki je enaka sedanji, so dobili pozitivne magnetne anomalije, saj se je skupno magnetno polje okrepilo, na območjih reverzne polarnosti pa negativne magnetne anomalije. Vzorec, ki so ga poimenovali magnetna progavost, so pojasnili z nastajanjem nove oceanske skorje iz magme vzdolž oceanskih grebenov. Starost bazalta pa se z oddaljenostjo od osi grebena povečuje.
Na podlagi novih podatkov je leta 1960 ameriški geolog Harry Hammond Hess predložil upravi za morske raziskave poročilo, v katerem je prvi uporabil izraz razpiranje morskega dna. V njem je zapisal, da se – namesto da bi celine potovale skozi oceansko skorjo, kot je predvidevala teorija o potovanju celin – oceanski bazen in celina premikata skupaj na isti enoti skorje, imenovani tektonska plošča. Litosferske plošče premikajo konvekcijski tokovi v viskoznem plašču. Svoja dognanja je objavil leta 1962 v članku Zgodovina oceanskih bazenov. Približno sočasno je leta 1961 Robert S. Dietz objavil enako hipotezo o razpiranju oceanskega dna. Čeprav je z objavo Dietz prehitel Hessa, se slednjemu pripisuje prvenstvo, ker je enako idejo predstavil že leta 1960 v svojem neobjavljenem poročilu. Že Hess je sklepal, da če se nekje oceansko dno razpira, se mora drugje krčiti oziroma podrivati v globokih oceanskih jarkih. Koncept razpiranja oceanskega dna in progasti vzorec magnetizacije so povezali leta 1963 Angleža F. J. Vine in D. H. Matthews ter Kanadčan L. W. Morley. Trdnejše dokaze za njihovo hipotezo so dale aeromagnetne meritve leta 1966 južno od Islandije, ki so pokazale jasen vzorec magnetne progavosti. S tem so bili dani pogoji za oblikovanje celovite teorije tektonike plošč, ki je bila predstavljena v naslednjih dveh letih.
Teorija tektonike litosferskih plošč
Leta 1697 je W. J. Morgan predlagal, da je površje Zemlje sestavljeno iz dvanajstih togih litosferskih plošč, ki se premikajo relativno med seboj. Trdna zunanja lupina Zemlje, ki se imenuje litosfera, je pod oceani debela od 70 do 100, pod celinami pa od 100 do 150 kilometrov. Pod njo je astenosfera, ki je delno staljena in lahko teče kot zelo viskozna tekočina. Togost litosfere se kaže v prelomnih deformacijah, kadar je izpostavljena močnemu pritisku.
Te so značilne predvsem za robove litosferskih plošč, kjer nastane največ potresov. Hitrost razmikanja plošč je od 20 milimetrov na leto v severnem Atlantiku do približno 160 milimetrov na leto v vzhodnem Tihem oceanu, hitrost podrivanja pa od 10 milimetrov na leto med Afriško in Evrazijsko ploščo do približno 80 milimetrov na leto med ploščo Nazca in Južnoameriško ploščo. Smer premikanja plošč v geološki zgodovini se najlepše vidi nad vročimi točkami, ki imajo stalen položaj.
Poznamo tri osnovne vrste stikov litosferskih plošč: razpiranje, podrivanje in transformni prelomi. Na območju razpiranja se plošči razmikata in iz astenosfere nastaja nova litosfera, ki tvori oceanske grebene. Na območju podrivanja ali subdukcije se dve plošči približujeta. Če konvergirata dve oceanski plošči, nastaneta globokomorski jarek in otočni vulkanski lok (Japonska, Aleuti).
Če se oceanska plošča podriva pod celinsko (na primer plošča Nazca pod Južnoameriško) pa nastane vulkansko gorovje (Andi). Kadar se je podrinila že vsa oceanska litosfera, dve celini trčita. Zaradi njune enake gostote podrivanje ni več mogoče in pride do narivanja v obsežna gorstva. Najznačilnejši primer je Himalaja, ki je nastala s trkom Indijske in Evrazijske plošče. Oceani imajo torej svoj življenjski cikel, ki ga je v šest faz razdelil Tuzo Wilson. Te faze so: zametek (vzhodnoafriški rift), mlada faza (Rdeče morje), zrela faza (Atlantski ocean), faza pojemanja (Tihi ocean), končna faza (Sredozemsko morje) in spojenost (Himalaja). Območje, kjer dve plošči drsita druga ob drugi, imenujemo transformni stik. Najznačilnejša primera transformnih prelomov sta prelom Sv. Andreja v Kaliforniji in Severnoanatolski prelom v Turčiji. Ob teh prelomih pogosto nastajajo zelo močni potresi.
Prof. dr. Andrej Gosar
Agencija RS za okolje,
Urad za seizmologijo in geologijo in Naravoslovnotehniška fakulteta Univerze v Ljubljani