How Does Earth’s Continental Crust Form? A New Bottom-Up Theory
The McMillan Spires w stanie Washington posiadają skały metamorficzne znane jako granulity, które zrównoważyły się w warunkach ciśnienia i temperatury typowych dla kontynentalnej niższej skorupy. Fot: John Scurlock/Jagged Ridge Imaging
Głęboko pod Aleutami na Alasce, w dole, gdzie ciśnienie i temperatury stały się tak wysokie, że skała zaczyna płynąć, rodzi się nowa skorupa kontynentalna.
Naukowcy od dawna wierzą, że skorupa kontynentalna tworzy się w łukach wulkanicznych – wiedzą, że magma wydobywana w wulkanach łuków jest geochemicznie bardzo podobna do skorupy kontynentalnej. Pozostaje jednak pytanie, jak dokładnie do tego dochodzi. Podczas gdy magma, która dociera na powierzchnię jest podobna do skorupy kontynentalnej, dolna skorupa pod łukami wulkanicznymi jest zupełnie inna od dolnej połowy skorupy kontynentalnej.
Nowe badania opublikowane w tym tygodniu w Nature Geoscience podważają jedną popularną teorię i dostarczają nowych dowodów na poparcie innej, według której lawa z łuku wulkanicznego oraz płytkie „plutony” – magma, która zastygła bez erupcji – są wciągane w głąb Ziemi w strefach subdukcji, a następnie wznoszą się i gromadzą na dnie skorupy łuku niczym para wodna na suficie kuchennym. Naukowcy znaleźli przekonujące dowody sugerujące, że mogło to spowodować powstanie znacznej większości niższej skorupy kontynentalnej w historii Ziemi.
Relaminacja subdukowanych osadów.
Proces ten, zwany relaminacją, rozpoczyna się na krawędzi płyty kontynentalnej, gdzie płyta oceaniczna nurkuje pod płytę kontynentalną, a magma wznosi się tworząc łuk wulkaniczny. Gdy płyta oceaniczna nurkuje, ciągnie w dół osady, lawę i skały plutoniczne z krawędzi łuku. Gdy materiał łuku opada, minerały w nim zawarte stają się niestabilne pod wpływem rosnącego ciśnienia i ciepła, i ulegają zmianom chemicznym. Tworzą się nowe minerały, a kawałki skał i osadów mogą się odrywać. Jeśli te kawałki są gęstsze niż otaczająca je skała płaszcza, nadal się zapadają. Ale kiedy są mniej gęste, jak te, które tworzą bogate w krzemionkę granulity, stają się wyporne i unoszą się w górę, aż osiągają dno skorupy łuku i tam się gromadzą.
„Osady są naprawdę dobrze reprezentowane w dolnej skorupie kontynentalnej, ale jak dostały się na dno kontynentu? Najprostszym sposobem jest to, że osady są spychane w dół strefy subdukcji i wznoszą się, by gromadzić się u podstawy skorupy” – powiedział Peter Kelemen, geochemik z Lamont-Doherty Earth Observatory na Uniwersytecie Columbia i autor pracy wraz z Markiem Behnem z Woods Hole Oceanographic Institution.
Pobieranie próbek skorupy ziemskiej
Aby ustalić, w jaki sposób skorupa łuku mogła przekształcić się w skorupę kontynentalną, Kelemen i Behn zbadali jedyne dwa znane miejsca, gdzie na lądzie widoczny jest kompletny fragment dolnej skorupy łuku. Jedno miejsce, w Pakistanie, zostało złapane podczas starożytnej kolizji płyt tektonicznych pomiędzy Indiami i Azją, i zostało wepchnięte w strome góry. Drugi z nich, łuk Talkeetna rozciągający się od Półwyspu Alaska do Valdez, został wypchnięty na krawędź Ameryki Północnej.
„Zwykle nie widzimy dna dolnej skorupy łuku, ale na Alasce i w Pakistanie możemy zobaczyć aż do samego dna. Te stare łuki uformowały się, uderzyły w Amerykę Północną, obróciły się na boki i ulegały erozji przez miliony lat. Ponieważ są one pochylone, możemy przejść od dna morza w dół, przez podstawę skorupy i do płaszcza” – powiedział Kelemen.
Wzdłuż tych obszarów odsłoniętej skorupy łuku naukowcy pobrali próbki, aby zobaczyć, jak skład geochemiczny skały zmienia się wraz ze wzrostem głębokości skorupy. Byli w stanie wydobyć minerały, które zarejestrowały ciśnienie i temperaturę w miejscu, gdzie minerały krystalizowały się głęboko pod ziemią, zaznaczając jak głęboko skała była w każdym punkcie.
Naukowcy znaleźli znaczące zmiany w składzie skorupy około połowy drogi w dół w skorupie łuku.
W dolnej połowie skorupy łuku, począwszy od około 20 kilometrów poniżej pierwotnej powierzchni, średnie stężenie „niezgodnych” pierwiastków śladowych – pierwiastków takich jak tantal i potas, które wolą pozostać w stopie podczas krystalizacji – było znacznie niższe niż w dolnej skorupie kontynentalnej na tej samej głębokości. Tylko górne 20 kilometrów skorupy łuku miało skład podobny do niższej skorupy kontynentalnej.
To staje się problemem dla jednej z wiodących teorii formowania się skorupy kontynentalnej, powiedział Kelemen. Teoria ta sugeruje, że skorupa łuku rozwarstwia się – gęste kawałki skał w skorupie łuku powoli przesuwają się w dół i „odkładają” się w płaszczu, aż skorupa łuku osiągnie skład skorupy kontynentalnej. Nowe dane sugerują, że aby rozwarstwienie mogło zadziałać, konieczne byłoby usunięcie dużej części skały z 20-kilometrowej grubości skorupy. Jednak rozwarstwienie działa tylko poniżej 35 do 40 km głębokości.
„Tak więc, nawet po usunięciu odrobiny gęstej materii z dna, nadal będziesz miał niższą skorupę w łukach, która wygląda zupełnie inaczej niż niższa skorupa na kontynentach. Proces nie jest wystarczający, by ze skorupy łuku stworzyć niższą skorupę kontynentalną” – powiedział Kelemen. Delaminacja rzeczywiście ma miejsce, ale aby była siłą napędową, wymagałaby złożonego procesu wielokrotnego zagęszczania skorupy i zdarzeń metamorficznych, powiedział.
Kelemen i Behn sugerują prostszy proces.
Test Wysp Aleuckich
Autorzy przetestowali swój model na Wyspach Aleuckich. W tym łuku wulkanicznym, lawy i plutony są podobne do skorupy kontynentalnej, ale dolna skorupa jest bardzo zubożona w pierwiastki, które są obfite w dolnej skorupie kontynentalnej. Aby określić potencjał relaminacji do produkcji niższej skorupy kontynentalnej, naukowcy obliczyli gęstość odsłoniętej lawy i plutonów przy ciśnieniach i temperaturach panujących w strefie subdukcji.
Około 44 procent aleuckich law i 78 procent plutonów byłoby bardziej wyporne niż perydotyt płaszcza w warunkach strefy subdukcji, stwierdzili. To sugeruje, że jeśli części łuku aleuckiego są ciągnięte w dół do strefy subdukcji, na głębokości 90 do 120 km, gdzie temperatury przekraczają 700 ° C, łuku lawy i plutony wzrosną do gromadzenia się wzdłuż dna skorupy. Skład tego nagromadzonego materiału przypominałby niższą skorupę kontynentalną.
Zaintrygowani tym odkryciem naukowcy przeprowadzili te same obliczenia dla innych łuków. Odkryli, że w miejscu Talkeetna na Alasce, 48 procent law i 37 procent plutonów byłoby wypornych. Na Kohistan, strona w Pakistanie, 36 procent lawy i 29 procent plutonów będzie buoyant.
Relaminacja może być widoczne w Południowej Kalifornii Pelona Schist gdzie sekcje niższej skorupy kontynentalnej są widoczne, Kelemen powiedział. Skały ilaste i plamy perydotytu płaszczowego otoczone przez bardziej wyporne materiały można znaleźć w odsłoniętej, „pod-płytowej” skorupie.
„Możemy zobaczyć młode, wulkaniczne osady, które zostały upchnięte pod starszą skorupą kontynentalną i są teraz częścią całego pakietu. Jak się tam dostały? Stało się to w południowej Kalifornii, a ja twierdziłbym, że prawdopodobnie dzieje się to w wielu miejscach” – powiedział Kelemen.
Dowiedz się więcej o pracach prowadzonych w Lamont-Doherty Earth Observatory.