Fale płaszcza unoszą kontynenty do góry i zdobią je diamentami

Przez miliardy lat kontynenty krążyły po powierzchni Ziemi jak statki tektoniczne, ale nie przetrwały bez szwanku. Fale w warstwie podpowierzchniowej, zwanej płaszczem, mogą zdzierać kil kontynentów, unosząc ich powierzchnie w górę, tworząc widoczne formy terenu z dala od jakichkolwiek aktywnych granic płyt, proponują naukowcy w czasopiśmie Nature z 8 sierpnia. Badanie dostarcza prawdopodobnej historii pochodzenia zagadkowych płaskowyżów, które wystają z geologicznie spokojnych krajobrazów.

Naukowcy „byli w stanie rozszerzyć się i połączyć ze sobą procesy, o których spekulowaliśmy przez długi czas”, mówi geolog David Foster z University of Florida w Gainesville. Badanie opiera się na badaniach opublikowanych w zeszłym roku, które sugerowały, że fale płaszcza również wyzwalały erupcje magm zawierających diamenty, zwanych kimberlitami.

W centrum tej historii znajdują się kratony, duże bloki głównie krystalicznej skały, które zwykle zajmują wnętrza kontynentów. Są to najstarsze fragmenty skorupy ziemskiej, z których wiele powstało ponad 2,5 miliarda lat temu, w okresie archeańskim. Duża część skorupy, która kiedyś istniała na Ziemi, została zniszczona w strefach subdukcji, gdzie jedna płyta tektoniczna zanurza się pod drugą w płaszczu. Kratony jednak uniknęły tego losu.

Kratony zawdzięczają swoją długowieczność swoim korzeniom, czyli kilom, mówi Foster. Kratony są znacznie grubsze niż otaczająca je skorupa kontynentalna, a kile mogą sięgać setek kilometrów w dół do płaszcza. Kile są stosunkowo wyporne, co pomaga utrzymać kratony na powierzchni i w stanie nienaruszonym, podczas gdy inne części skorupy są subdukowane.

Ale coś w kratonach od dawna zastanawiało geologów. Niektóre, takie jak kraton Kaapvaal w południowej Afryce, są zwieńczone rozległymi płaskowyżami otoczonymi dramatycznymi urwiskami. Ale kratony są rzekomo stabilne i często znajdują się daleko od unoszącej ląd aktywności tektonicznej, która występuje na granicach płyt. Co więc podniosło te płaskowyże?

Niektóre badania sugerują, że formy terenu powstały, gdy kraton przechodził nad dużym pióropuszem materiału wypiętrzającego się z głębi płaszcza. Jednak zapis geologiczny nie wydaje się potwierdzać tego wyjaśnienia, mówi geofizyk Thomas Gernon z University of Southampton w Anglii.

Więc Gernon i jego współpracownicy wykorzystali symulacje komputerowe, aby śledzić ewolucję szczeliny, która otworzyła się w środku kontynentu. Odkryli, że zmiany ciśnienia pod szczeliną wywołały cyrkulację w płaszczu, wywołując falę, która rozprzestrzeniała się bocznie pod kontynentem około 20 kilometrów co milion lat.

Gdy fala w symulacji napotkała kil kratonu, rozerwała i zmiotła materiał do płaszcza. Stopniowo odciążało to kontynent, powodując, że leżąca nad nim powierzchnia uniosła się w górę jak statek pozbawiony ładunku. To podniesienie podążało za falami płaszcza przez setki kilometrów przez kraton, podnosząc stabilny płaskowyż na wysokość około jednego do dwóch kilometrów, mówi Gernon. A ponieważ te podniesione regiony zostały zerodowane przez wiatr i wodę, powierzchnia uniosła się jeszcze bardziej.

Pęknięcia kontynentalne mogą wywołać fale w leżącym pod spodem płaszczu, które podnoszą skorupę i tworzą wydłużony płaskowyż. Kliknij pokaz slajdów poniżej, aby zobaczyć, jak to się dzieje. Na każdej ilustracji kontynent jest podzielony na górną skorupę, dolną skorupę i warstwy litosfery kontynentalnej, a także stosunkowo niestabilną warstwę graniczną termiczną. Pod kontynentem znajduje się astenosfera, ciągliwa górna warstwa płaszcza Ziemi.

W jaki sposób fale płaszcza unoszą powierzchnię Ziemi, tworząc szerokie płaskowyże

Naukowcy powiązali również swoje symulacje z zapisem geologicznym. Z wcześniej opublikowanych badań wyciągnęli dane geochemiczne ze skał na płaskowyżu Afryki Południowej, które rejestrowały historię termiczną płaskowyżu. Dane wykazały, że najszybsze tempo chłodzenia — wskaźnik określający, kiedy skały były wypiętrzane najszybciej — przetoczyło się przez płaskowyż w tempie zgodnym z migracją fali płaszcza.

Badanie łączy ze sobą wiele rozbieżnych hipotez, mówi geofizyk Cynthia Ebinger z Tulane University w Nowym Orleanie. Naukowcy wcześniej powiązali ryftowanie z wulkanizmem kimberlitowym i wykazali, że stępki kratonu mogą być niszczone przez materiał krążący w płaszczu. Ale do tej pory nikt nie powiązał tych fragmentów z zagadkową topografią kratonu.

„Te archeańskie fragmenty nadal kontrolują aspekty tektoniki płyt”, mówi Ebinger. „Ten wczesny etap w historii Ziemi jest nadal bardzo ważny”.