Astenosfera

Astenosfera to warstwa Ziemi znajdująca się na średniej głębokości około 62 mil (około 100 km) pod powierzchnią Ziemi. Po raz pierwszy została nazwana w 1914 roku przez brytyjskiego geologa Josepha Barrella, który podzielił ogólną strukturę Ziemi na trzy główne części: litosferę, czyli zewnętrzną warstwę materiału skalnego, astenosferę oraz centrosferę, czyli centralną część planety. Nazwa astenosfery pochodzi od greckiego słowa oznaczającego słaby, asthenis, ze względu na stosunkowo kruchą naturę materiałów, z których jest zbudowana. Znajduje się ona w górnej części wewnętrznej struktury Ziemi, tradycyjnie zwanej płaszczem. Naukowcy nie widzieli astenosfery Ziemi, ale jej istnienie ma głęboki wpływ na naszą planetę i sposób, w jaki zachowuje się skorupa ziemska. Dla każdego, kto mieszka w pobliżu granicy płyt na Ziemi, astenosfera w znacznym stopniu przyczynia się do niełatwych warunków geologicznych, które mogą nękać ten obszar.

Dowody na istnienie astenosfery

Geolodzy są nieco ograniczeni co do metod, za pomocą których mogą zbierać informacje o wnętrzu Ziemi. Na przykład, mogą oni badać materiał skalny wyrzucany z wulkanów i strumieni lawy w poszukiwaniu wskazówek na temat właściwości obszarów wewnętrznych. Ogólnie rzecz biorąc, najbardziej niezawodnym źródłem takich informacji jest jednak sposób, w jaki fale sejsmiczne są przenoszone przez wnętrze Ziemi. Fale te mogą być wytwarzane naturalnie w wyniku ruchów Ziemi lub mogą być generowane syntetycznie za pomocą eksplozji, działek powietrznych lub innych technik.

W każdym przypadku badania sejsmiczne wykazały, że rodzaj fal znanych jako fale S znacznie zwalnia, gdy osiągają one średnią głębokość około 62 mil (100 km) pod powierzchnią Ziemi. Następnie, na głębokości około 155 mil (250 km), ich prędkość ponownie wzrasta. Geolodzy uznali te zmiany w prędkości fal za wskazówki dotyczące granic regionu znanego obecnie jako astenosfera.

Właściwości astenosfery

Materiał, z którego składa się astenosfera, można opisać jako plastyczny, o znacznie mniejszej sztywności niż litosfera znajdująca się nad nim. Właściwość ta jest spowodowana oddziaływaniem temperatury i ciśnienia na materiały astenosferyczne. Każda skała, oczywiście, stopi się, jeśli jej temperatura zostanie podniesiona do wystarczająco wysokiej. Jednakże, temperatura topnienia każdej skały (lub materiału) jest również funkcją ciśnienia wywieranego na skałę (lub materiał). Ogólnie rzecz biorąc, wraz ze wzrostem ciśnienia na materiale, jego temperatura topnienia wzrasta.

Materiały tworzące astenosferę mają tendencję do bycia nieco chłodniejszymi niż ich temperatura topnienia. Daje im to jakość przypominającą plastik, którą można porównać do szkła. Gdy temperatura materiału wzrasta lub gdy ciśnienie wywierane na materiał wzrasta, materiał ma tendencję do deformacji i przepływu. Jeśli ciśnienie wywierane na materiał zostanie gwałtownie obniżone, obniży się również jego temperatura topnienia, a materiał może zacząć się szybko topić. Krucha równowaga między temperaturą topnienia a ciśnieniem w astenosferze znajduje odzwierciedlenie w szacunkach niektórych geologów, według których do 10% materiału astenosfery może być faktycznie stopione. Reszta jest tak bliska stopienia, że stosunkowo niewielkie zmiany ciśnienia lub temperatury mogą spowodować dalsze topnienie.

Oprócz utraty ciśnienia w astenosferze, innym czynnikiem, który może spowodować topnienie, jest wzrost temperatury. Astenosfera jest ogrzewana przez kontakt z gorącymi materiałami, które tworzą znajdującą się pod nią mezosferę. Oczywiście, temperatura mezosfery nie jest stała. W niektórych miejscach jest ona cieplejsza niż w innych. W tych regionach, gdzie mezosfera jest cieplejsza niż przeciętnie, dodatkowe ciepło może w rzeczywistości zwiększyć stopień nagrzania materiałów astenosferycznych i może dojść do bardziej rozległego topnienia. Rezultaty takiego zdarzenia opisano poniżej.

Astenosfera w teorii tektoniki płyt

Uważa się obecnie, że astenosfera odgrywa krytyczną rolę w ruchu płyt po powierzchni Ziemi. Zgodnie z teorią tektoniczną płyt, litosfera składa się ze stosunkowo niewielkiej liczby bardzo dużych płyt skalnych. Płyty te mają zwykle około 60 mil (100 km) grubości i w większości przypadków wiele tysięcy mil szerokości. Uważa się, że są one same w sobie bardzo sztywne, ale mogą być przemieszczane na wierzchu astenosfery. Uważa się, że zderzenia płyt ze sobą, ich boczne przesuwanie się obok siebie i oddzielanie od siebie są odpowiedzialne za główne zjawiska geologiczne i wydarzenia, takie jak wulkany, wylewy lawy, budowanie gór oraz głębokie uskoki skorupy ziemskiej i ryfty.

Aby teoria tektoniki płyt miała jakikolwiek sens, musi istnieć jakiś mechanizm umożliwiający przepływ płyt. Tym mechanizmem jest półpłynny charakter samej astenosfery. Niektórzy obserwatorzy opisują astenosferę jako „olej smarujący”, który umożliwia ruch płyt w litosferze. Inni uważają astenosferę za siłę napędową lub środek transportu płyt.

Geolodzy opracowali teorie wyjaśniające zmiany, jakie zachodzą w astenosferze, gdy płyty zaczynają się od siebie oddalać lub do siebie zbliżać. Na przykład, załóżmy, że w litosferze powstał region słabości. W takim przypadku ciśnienie wywierane na znajdującą się pod nią astenosferę ulega zmniejszeniu, zaczyna się topić, a materiały astenosferyczne zaczynają płynąć ku górze. Jeśli litosfera nie została przerwana, materiały z astenosfery stygną w miarę zbliżania się do powierzchni Ziemi i w końcu stają się częścią litosfery. Z drugiej strony, załóżmy, że pęknięcie litosfery rzeczywiście nastąpiło. W takim przypadku, materiały astenosferyczne mogą wydostać się przez to pęknięcie i wypłynąć na zewnątrz zanim zdążą ostygnąć. W zależności od temperatury i ciśnienia w danym regionie, wypływ materiału (magmy) może być dość gwałtowny, jak w przypadku wulkanu, lub bardziej umiarkowany, jak w przypadku lawowego przepływu. W obu tych przypadkach dochodzi do rozchodzenia się płyt skorupy ziemskiej, czyli rozprzestrzeniania się. Ciśnienie w astenosferze może być również zmniejszone w strefach dywergencji, gdzie dwie płyty oddzielają się od siebie. Również w tym przypadku zmniejszenie ciśnienia może pozwolić materiałom w astenosferze zacząć się topić i płynąć ku górze. Jeśli dwie nadległe płyty rzeczywiście się oddzieliły, materiał astenosferyczny może przepłynąć przez separację i uformować nową sekcję litosfery.

W strefach konwergencji, gdzie dwie płyty zbliżają się do siebie, materiały astenosferyczne mogą być również narażone na zwiększone ciśnienie i zacząć płynąć w dół. W tym przypadku, lżejsza ze zderzających się płyt przesuwa się w górę i nad cięższą z nich, która nurkuje w dół do astenosfery. Ponieważ cięższy materiał litosfery jest bardziej sztywny niż materiał astenosfery, ten ostatni jest wypychany na zewnątrz i w górę. Podczas tego ruchu płyt, materiał schodzącej płyty jest podgrzewany w astenosferze, następuje topnienie i stopione materiały wypływają ku powierzchni Ziemi. Budowanie gór jest w takich sytuacjach wynikiem kolizji kontynentów, a wielkie łańcuchy górskie, takie jak Ural, Appalachy i Himalaje, powstały właśnie w taki sposób. Gdy płyty oceaniczne stykają się ze sobą, powstają łuki wysp (np. Japonia czy Aleuty). W miejscach zbieżności płyt powstają wielkie rowy oceaniczne. W każdym z przytoczonych tu przykładów astenosfera dostarcza nowego materiału zastępującego materiały litosferyczne, które zostały przemieszczone w wyniku innego mechanizmu tektonicznego lub geologicznego.

W związku z tym, niezależnie od tego, czy naukowcy rozważają pochodzenie skompresowanych łańcuchów górskich, takich jak Himalaje, czy też pochodzenie wielkich rowów oceanicznych (takich jak rów Peru-Chile), biorą również pod uwagę aktywność astenosfery, która utrzymuje płyty Ziemi w ciągłej aktywności geologicznej.

Zobacz też Dryf kontynentalny; Margines kontynentalny; Szelf kontynentalny; Geologia planetarna; Tektonika płyt.

Źródła

książki

Press, Frank, and Raymond Sevier. Understanding Earth. San Francisco: Freeman, 2000.

Tarbuck, Edward. J., Frederick K. Lutgens, and Dennis Tassa, eds. Earth: An Introduction to Physical Geology, 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002.

Fuchs, Karl, and Claude Froidevaux. Composition, Structure, and Dynamics of the Lithosphere and Asthenosphere System. Washington, DC: American Geophysical Union, 1987.

David E. Newton

KEY TERMS

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Litosfera

-Zewnętrzna warstwa Ziemi, która rozciąga się do głębokości około 60 mi (100 km).

Magma

-Materiał stopiony wydobywany spod powierzchni Ziemi, składający się na ogół z materiałów skalnych bogatych w krzem i tlen.Fala sejsmiczna

-Zaburzenie wytworzone przez kompresję lub zniekształcenie na Ziemi lub w jej wnętrzu, które rozchodzi się przez materiały ziemskie; fala sejsmiczna może być wytworzona w sposób naturalny (np. przez trzęsienia ziemi) lub sztuczny (np. przez eksplozje).

Fala sejsmiczna może być wytworzona w sposób naturalny (np. przez trzęsienia ziemi) lub sztuczny (np. przez eksplozje).