Jak umierają płyty tektoniczne?
Od miliardów lat powierzchnia Ziemi stale się zmienia. Płyty tektoniczne powstają, przesuwają się, ścierają ze sobą - i znikają w głębi Ziemi. Naukowcy od lat zastanawiali się, co dzieje się z ogromnymi geologicznymi formacjami po tym, jak zostają zepchnięte głęboko pod ziemską skorupę. Najnowsze badanie wreszcie pokazuje, jak umierają kontynenty.
Gdyby nie płyty tektoniczne, życie na Ziemi mogłoby być niemożliwe. Płyty, czyli ogromne, skalne wyspy dryfujące na oceanie magmy, odpowiadają za procesy kształtujące powierzchnię Ziemi. Kolizje płyt tworzą łańcuchy górskie. Tam, gdzie się od siebie odsuwają, powstają i rosną oceany. Ocierając się o siebie, powodują trzęsienia ziemi. A ich krawędzie obfitują w wulkany.
Gdyby nie te zjawiska, powierzchnia Ziemi byłaby o wiele bardziej statyczna - i prawdopodobnie martwa. Naukowcy sądzą, że to właśnie tektonika działa jak rodzaj globalnego termostatu, który pozwolił naszej planecie nagrzać się do temperatur pozwalających na powstanie życia, a następnie ustabilizował ziemski klimat, pozwalając rozkwitnąć ewolucji.
Jeden z kluczowych elementów tego tektonicznego cyklu pozostawał jednak zagadką: gdy płyty tektoniczne zderzają się ze sobą, jedna z nich zazwyczaj unosi się, tworząc łańcuchy górskie. Tak powstały Himalaje, Andy, Alpy czy Karpaty. Druga jest spychana w dół i znika w otchłani głębin Ziemi w procesie zwanym subdukcją. Jednak to, co potem dzieje się z takimi znikającymi skałami było tajemnicą.
Zasadniczym problemem, z jakim musieli uporać się analizujący los płyt naukowcy, jest to, że subdukcja jest procesem nieprzerwanym: tonąca część płyty ciągnie za sobą jej resztę, co powinno oznaczać, że pozostaje ona w całości. Z drugiej strony, ekstremalne warunki panujące w głębi skorupy ziemskiej powinny prowadzić do jej zniszczenia.
Opublikowana właśnie w magazynie "Nature" praca naukowców ze Szwajcarii i USA może zawierać odpowiedź na tę zagadkę. Naukowcy twierdzą, że zapadające się płyty rzeczywiście ulegają znacznemu osłabieniu. Ale nie rozpadają się całkowicie.
Bezpośrednie zbadanie procesów zachodzących na ekstremalnych głębokościach jest aktualnie niemożliwe, bo nie mamy technologii, które wytrzymałyby tak ogromne ciśnienia i temperatury. Naukowcy muszą więc posługiwać się dowodami pośrednimi, takimi jak analiza pochodzących z dużych głębokości minerałów i danych z sejsmografów. W tym przypadku wykorzystali także komputerowe symulacje, do przeprowadzenia których posłużyły im szwajcarskie superkomputery.
Stworzony przez nich komputerowy model subdukcji wykazał, że gdy płyta schodzi w głąb płaszcza Ziemi, gwałtownie zgina się w dół, a jej zimna i łamliwa górna powierzchnia pęka. Jednocześnie proces wyginania przeobraża i osłabia strukturę dolnej strony płyty. Naprężenia ściskają płytę z dwóch stron wzdłuż jej słabych punktów. Płyta pozostaje jednym obiektem, ale zostaje podzielona na wyraźne segmenty. Dzięki temu pozostająca na powierzchni część płyty nadal jest wciągana w głąb, podczas gdy ta już znajdująca się w głębinach zwija się i odkształca.
Model znalazł potwierdzenie w realnych obserwacjach. Według badań naukowców, w miejscu, w którym płyta tektoniczna Pacyfiku znika pod Japonią, dają się wykryć duże pęknięcia i oznaki osłabienia tworzących ją skał.
"To przykład możliwości, jakie dają nam nowoczesne technologie obliczeniowe w naukach o Ziemi” – mówi współautor badania prof. Thorsten Becker, geofizyk z Uniwersytetu Teksasu. "Połączyliśmy w modelu procesy wynikające z geologii i mechaniki skał i dowiedzieliśmy się czegoś nieoczekiwanego o fizyce leżącej u podstaw funkcjonowania Ziemi. Jako fizyk uważam to za ekscytujące”.
Jednym z najciekawszych wniosków z badania jest to, że proces subdukcji działa tylko w bardzo określonych warunkach. Gdy naukowcy przeprowadzili symulacje, w których wnętrze Ziemi było gorętsze, niż obecnie, płyty tektoniczne zrywały się i rozpadały zaledwie kilka kilometrów pod powierzchnią. Oznacza to, że subdukcja w takiej formie, jak ją obserwujemy obecnie, byłaby niemożliwa. A co za tym idzie, współczesna tektonika Ziemi ukształtowała się dopiero w ciągu ostatniego miliarda lat, kiedy jądro naszej planety nieco ostygło. To zbiega się w czasie z powstaniem na naszej planecie złożonych form życia.
Wyniki eksperymentu mogą mieć jednak istotne znaczenie także dla naszego życia tu i teraz. Naukowcy chcą teraz stworzyć precyzyjne, trójwymiarowe modele prawdziwych stref subdukcji po to, by zobaczyć, czy da się stwierdzić związek między ich kształtem i zachowaniem, a trzęsieniami Ziemi.
