AFRYKA

Jak powstaje

krajobraz Ziemi

Pot´˝ne procesy zachodzàce w g∏´bokich warstwach naszej planety

nie tylko przesuwajà po jej powierzchni du˝e fragmenty skalistej pow∏oki,

ale tak˝e przemieszczajà w gór´ i w dó∏ ca∏e kontynenty

Michael Gurnis

Z

wykle uwa˝a si´, ˝e za rzeêb´ powierzch-
ni Ziemi odpowiedzialne sà gwa∏towne
kolizje pomi´dzy p∏ytami tektonicznymi
– ruchomymi fragmentami zewn´trznej
skalistej warstwy naszej planety. I tak na

przyk∏ad pot´˝ne Himalaje zrodzi∏y si´ ze zderzenia
Pó∏wyspu Indyjskiego z làdem azjatyckim, a Andy
wzrasta∏y w miar´ pogrà˝ania si´ dna pacyficznego
pod kontynentem po∏udniowoamerykaƒskim. Ale na-
wet ogromnymi si∏ami, jakie tkwià w tektonice p∏yt,
nie da si´ wyjaÊniç w pe∏ni niektórych najwi´kszych
elementów rzeêby naszej planety.

Spójrzmy na po∏udniowà Afryk´. To jeden z naj-

pot´˝niejszych p∏askowy˝ów na Ziemi. Rozciàga si´
na obszarze o Êrednicy ponad 1.5 tys. km i wznosi
Êrednio na wysokoÊç 1500 m n.p.m. Âwiadectwa geo-
logiczne pokazujà, ˝e rejon ten – wraz z otaczajàcà go
skorupà oceanicznà – wznosi si´ powoli ju˝ od
100 mln lat, chocia˝ od 400 mln lat nie wstrzàsn´∏a
nim ˝adna kolizja tektoniczna.

To wielkie afrykaƒskie wybrzuszenie (superswell)

jest tylko jednym z przyk∏adów pot´˝nych ruchów
pionowych, jakie kszta∏towa∏y znaczne obszary po-
wierzchni Ziemi. W odleglejszej przesz∏oÊci geolo-
gicznej równie wielkie obszary – w Australii i Amery-

ce Pó∏nocnej – zapada∏y si´ na g∏´bokoÊç tysiàca i wi´-
cej metrów, by potem znów unieÊç si´ ku górze.

Naukowcy zajmujàcy si´ procesami zachodzàcy-

mi wewnàtrz ziemskiego globu podejrzewali od daw-
na, ˝e to tam w∏aÊnie tkwi przyczyna ruchów piono-
wych obserwowanych na powierzchni. Geofizycy
rozpocz´li wi´c poszukiwanie oznak takiej aktywno-
Êci w p∏aszczu – warstwie rozdzielajàcej jàdro od litos-
fery. Ten obszar rozgrzanych, cz´Êciowo roztopio-
nych ska∏ znajdujàcych si´ tu˝ pod dnem mozaiki p∏yt
tektonicznych, si´ga do g∏´bokoÊci prawie 3 tys. km,
a˝ do granicy ˝elazistej materii, z której zbudowane
jest jàdro planety. DziÊ wiemy, ˝e zmiany tempera-
tury i ciÊnienia w p∏aszczu sà przyczynà powolnych
ruchów mas skalnych, dzi´ki którym ska∏y te – na
przestrzeni tysi´cy lat – zachowujà si´ na podobieƒ-
stwo g´stej, cz´Êciowo up∏ynnionej melasy. Z poczàt-
ku jednak nikt nie wiedzia∏, jak to przek∏ada si´ na
powierzchniowe ruchy izostatyczne. Obecnie, dzi´-
ki zaawansowanym modelom komputerowym,
uwzgl´dniajàcym zarówno stan obecny, jak i prze-
sz∏oÊç geologicznà p∏aszcza, zaczynamy zdawaç sobie
spraw´, dlaczego niektóre fragmenty ziemskiej lito-
sfery podlega∏y i nadal podlegajà tak du˝ym ruchom
pionowym.

ZAGADKOWE RUCHY wznoszàce i opadajàce ca∏ych bloków kontynen-
talnych wielokrotnie zdarza∏y si´ w przesz∏oÊci Ziemi. Po∏udniowa Afry-
ka zosta∏a wyniesiona ponad 300 m w ciàgu ostatnich 20 mln lat, nato-
miast dzisiejsze wyspy Indonezji stanowià jedynà pozosta∏oÊç po
istniejàcym kiedyÊ kontynencie. Naukowcy przypuszczajà, ˝e przyczyny
tych pot´˝nych ruchów pionowych ukryte sà g∏´boko we wn´trzu Ziemi.

INDONEZJA

WSZYSTKIE ILUSTRACJE: DAVID FIERSTEIN

Tajemnica afrykaƒskiego wybrzuszenia okaza∏a si´ stosunko-

wo ∏atwa do wyjaÊnienia. Ju˝ w pierwszej po∏owie XX wieku
geofizycy zdali sobie spraw´, ˝e w ciàgu niewyobra˝alnie d∏u-
giego czasu geologicznego p∏aszcz nie tylko wykonuje powol-
ne ruchy, ale te˝ niekiedy wpada w drgania lub ko∏ysze si´ ni-
czym wype∏niony g´stà, wrzàcà zupà garnek. Wzgl´dnie
niewielka g´stoÊç rozgrzanych ska∏ sprawia, ˝e materia∏ ten
unosi si´ z wolna ku górze; natomiast ch∏odne, ci´˝sze ska∏y
opadajà, a˝ ciep∏o wydostajàce si´ z roztopionego jàdra znów
je ogrzeje, tak aby ponownie mog∏y si´ wznosiç. Ruchy te, za-
chodzàce w trójwymiarowej przestrzeni, zwane konwekcyjny-
mi, uznajemy za przyczyn´ poziomego przesuwania si´ p∏yt
litosferycznych. Ma∏o kto wierzy∏ jednak, by mog∏y powodowaç
podnoszenie i opuszczanie si´ powierzchni planety. Ten scep-
tycyzm zaczà∏ jednak z wolna ust´powaç, kiedy pojawi∏y si´
pierwsze, bardzo jeszcze niedok∏adne obrazy wn´trza Ziemi.

Oko∏o 20 lat temu naukowcy opracowali metod´ wykony-

wania trójwymiarowych zdj´ç p∏aszcza dzi´ki pomiarom wi-
bracji wywo∏ywanych przez p∏ytkie trz´sienia ziemi. Pr´d-
koÊç rozchodzenia si´ tych wibracji, czyli fal sejsmicznych,
zale˝y od sk∏adu chemicznego, temperatury i ciÊnienia pa-
nujàcych w ska∏ach. Fale stajà si´ wolniejsze w ska∏ach gorà-
cych i o mniejszej g´stoÊci, przyÊpieszajà natomiast w mate-
rii g´stej i ch∏odniejszej. Znajàc czas, jaki zabiera falom
sejsmicznym przejÊcie od epicentrum trz´sienia do okreÊlonej
stacji pomiarowej na powierzchni, uczeni mogà znaleêç od-
powiedê na pytanie o temperatur´ i g´stoÊç panujàce w da-
nym obszarze wn´trza planety. Nak∏adajàc na siebie wykre-
sy pr´dkoÊci rozchodzenia si´ fal z tysi´cy stacji pomiarowych
rozsianych po ca∏ym globie, mo˝na utworzyç mapy obrazu-
jàce warunki panujàce wewnàtrz p∏aszcza.

Takie obrazy sejsmiczne, coraz dok∏adniejsze w miar´ do-

skonalenia si´ aparatury pomiarowej, pozwoli∏y ostatnio uzy-
skaç wglàd w ni˝ej po∏o˝one rejony p∏aszcza – ujawni∏y tam
obecnoÊç pot´˝nych formacji, których nikt si´ nie spodzie-
wa∏. Najwi´ksza tego typu struktura le˝y bezpoÊrednio pod
po∏udniowym kraƒcem Afryki. Mniej wi´cej dwa lata temu
sejsmolodzy z California Institute of Technology: Jeroen Rit-
sema i Hendrik-Jan van Heijst, wyliczyli, ˝e ta wielka struk-
tura o Êrednicy wielu tysi´cy kilometrów, majàca kszta∏t grzy-
ba, wznosi si´ na wysokoÊç oko∏o 1400 km od powierzchni
jàdra [ilustracja na sàsiedniej stronie].

Badaczy zaintrygowa∏o, czy ta ogromna wznoszàca si´ kro-

pla mo˝e wypychaç ku górze ca∏y kontynent afrykaƒski. Zwa-

˝ywszy, ˝e jest to region o ma∏ej pr´dkoÊci rozchodzenia si´ fal
sejsmicznych, uznali, ˝e musi byç gor´tszy od sàsiadujàcych
z nim obszarów p∏aszcza. Wed∏ug prostych zasad konwekcji, ca-
∏a kropla musi wykazywaç ruch wznoszàcy. Ale zdj´cie sej-
smiczne rejestruje tylko pojedynczy moment („klatk´”), a wi´c
i jednà pozycj´ w ciàg∏ym skàdinàd ruchu struktury. Gdyby
na przyk∏ad okaza∏o si´, ˝e kropla ma odmienny sk∏ad od ota-
czajàcych jà ska∏, mog∏aby – mimo swej wy˝szej temperatury –
pozostawaç bez ruchu. Aby to zbadaç, postanowiliÊmy – wraz
z geofizykiem Jerrym X. Mitrovicà z University of Toronto –
sporzàdziç sekwencyjny („wieloklatkowy”) obraz zachodzà-
cych tam procesów. OkreÊliliÊmy kszta∏t kropli, ustaliliÊmy jej
przypuszczalnà g´stoÊç i poczàtek wznoszenia si´ po∏udnia
Afryki. Dane te wprowadziliÊmy do programu komputerowe-
go symulujàcego konwekcj´ w p∏aszczu. Dzi´ki temu ju˝ przed
rokiem wykazaliÊmy, ˝e struktura ta istotnie ma tendencj´ do
powolnego ruchu wznoszàcego w obr´bie p∏aszcza, a si∏a tego
ruchu wystarcza do podnoszenia mas làdowych Afryki.

Takie obrazy sejsmiczne i modele komputerowe – podsta-

wowe narz´dzia pracy geofizyków – pozwoli∏y wyjaÊniç za-
gadk´ afrykaƒskiego wybrzuszenia. Na razie okaza∏y si´
jednak niewystarczajàce, aby zrozumieç ruchy wznoszàce
i obni˝ajàce w Australii i Ameryce Pó∏nocnej. Geofizycy ba-
dajàcy jedynie dzisiejszy obraz p∏aszcza Ziemi nie mogà do
koƒca zrozumieç, jak aktywnoÊç p∏aszcza wp∏yn´∏a na ukszta∏-
towanie g∏ównych elementów rzeêby terenu. W swej pracy
muszà odwo∏aç si´ do tradycyjnej perspektywy historycznej,
dokumentujàcej nast´pujàce w czasie geologicznym zmiany
na powierzchni planety.

Duchy przesz∏oÊci

Pierwsze próby zrozumienia przyczyn pionowych podry-

gów Australii i Ameryki Pó∏nocnej podejmowano w latach
szeÊçdziesiàtych XX wieku wraz z pozornie nie zwiàzanymi
badaniami dotyczàcymi wp∏ywu g´stoÊci p∏aszcza na ziem-
skie pole grawitacyjne. Podstawowe zasady fizyki sk∏oni∏y
wówczas badaczy do poglàdu, ˝e si∏a cià˝enia powinna byç
najmniejsza powy˝ej zbiorników goràcych ska∏, które majà
zmniejszonà g´stoÊç, a przez to i mniejszà mas´. Kiedy jednak
uda∏o si´ po raz pierwszy wykonaç map´ zmian grawitacyj-
nych Ziemi, nie stwierdzono, aby pole grawitacyjne korelowa-
∏o w oczekiwany sposób z rozmieszczeniem mas ch∏odnych
i goràcych ska∏ w p∏aszczu.

26 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2001

WYNIESIENIA I OBNI˚ENIA na przezroczystej powierzchni na∏o˝onej na map´ Êwiata uwidaczniajà zmiennoÊç nat´˝enia ziem-
skiego pola grawitacyjnego. Punkty wy˝ej po∏o˝one odpowiadajà ponadprzeci´tnej sile cià˝enia (spowodowanej lokalnym nadmia-
rem masy na powierzchni planety), obszary obni˝one znajdujà si´ nad regionami o niedostatku masy. Takie ró˝nice w sile grawitacji wska-
zujà na zaburzenia rozk∏adu mas w p∏aszczu Ziemi.

Co gorsza, na prze∏omie lat siedemdziesiàtych i osiemdzie-

siàtych Clement G. Chase stwierdzi∏, ˝e jest odwrotnie. Gdy
Chase, dziÊ pracujàcy w University of Arizona, zbada∏ dok∏ad-
nie sytuacj´ na przestrzeni ponad 1500 km, doszed∏ do wniosku,
˝e si∏a grawitacji ma najwi´kszà wartoÊç nie ponad zimnym
p∏aszczem, ale nad izolowanymi obszarami wulkanicznymi,
zwanymi goràcymi punktami (nikt nie zwróci∏ wczeÊniej uwa-
gi na t´ zale˝noÊç ze wzgl´du na niezmiernie wysokà zmiennoÊç
pola grawitacyjnego w tych regionach). Mo˝e jeszcze wi´kszym
zaskoczeniem by∏o stwierdzenie obecnoÊci d∏ugiego pasa ob-
ni˝onej grawitacji, ciàgnàcego si´ od Zatoki Hudsona w Kana-
dzie przez biegun pó∏nocny w poprzek Syberii oraz Pó∏wyspu
Indyjskiego i dalej na po∏udnie a˝ do Antarktydy. Opierajàc si´
na analizie przypuszczalnego rozmieszczenia dawnych p∏yt li-
tosfery (od 125 mln lat), zauwa˝y∏, ˝e pas ten odpowiada loka-
lizacji stref (paleo) subdukcji – tzn. obszarów, gdzie p∏yty tek-
toniczne unoszàce fragmenty skorupy oceanicznej zanurza∏y
si´ w p∏aszczu. Narzuca∏o si´ przypuszczenie, ˝e „duchy” daw-
nych stref subdukcji powodowa∏y zmniejszenie si∏y grawitacji.
Ale przecie˝ jeÊli te zimne i g´ste fragmenty dna oceanicznego
znajdujà si´ wcià˝ w goràcych masach p∏aszcza, to pole grawi-
tacji powinno byç ponad nimi szczególnie intensywne, a nie
obni˝one. CoÊ tu si´ nie zgadza∏o.

W po∏owie lat osiemdziesiàtych geofizyk Bradford H. Ha-

ger, obecnie zatrudniony w Massachusetts Institute of Tech-
nology, poda∏ rozwiàzanie tego pozornego paradoksu, za-
uwa˝ajàc, ˝e w warunkach podobnych do tych, które bada∏
Chase, mogà tworzyç si´ w p∏aszczu ogniska zag´szczonej
lub rozrzedzonej materii. Hager opracowa∏ swà teori´ na pod-
stawie procesów zachodzàcych w Êrodowisku p∏ynnym –
a tak w∏aÊnie mo˝na traktowaç masy p∏aszcza w odpowied-

nio d∏ugich odcinkach czasu. Kiedy p∏yn o ma∏ej g´stoÊci uno-
si si´ ku górze, jak w przypadku najgor´tszych partii p∏asz-
cza, przeciska si´ ponad zimniejsze, a wi´c i g´stsze masy.
Tak dochodzi do zdwojenia mas, co znajduje odzwierciedle-
nie na powierzchni w postaci zwi´kszonej si∏y grawitacji.
Analogicznie dojÊç mo˝e do obni˝enia si∏y grawitacji ponad
ogniskami zimnej i g´stej materii w p∏aszczu: zanurzajàce si´
masy powodujà ubytek materii, która wczeÊniej by∏a w pobli-
˝u powierzchni Ziemi. Ta koncepcja t∏umaczy, dlaczego „du-
chy” dawnych stref subdukcji mogà powodowaç powstanie
pasów obni˝onej grawitacji: cz´Êç porwanych p∏atów zimnej
skorupy oceanicznej musi najwyraêniej zanurzaç si´ wcià˝
w p∏aszczu, uginajàc zarazem nad sobà powierzchni´ plane-
ty. JeÊli poglàdy Hagera odpowiadajà rzeczywistoÊci, w p∏asz-
czu zachodzà nie tylko ruchy poziome pod litosferà, ale ca∏e
jego fragmenty mogà przeciskaç si´ ku górze a˝ do powierzch-
ni. A wówczas dochodzi∏oby te˝ do wynoszenia du˝ych ob-
szarów làdowych, i odwrotnie – regiony làdowe le˝àce po-
nad pogrà˝ajàcymi si´ ogniskami wyginane by∏yby ku do∏owi.

Podrygujàce kontynenty

W tym samym czasie, gdy Chase i Hager odkrywali me-

chanizm, który t∏umaczy∏ nawet gwa∏towne ruchy pionowe
skorupy ziemskiej, geolodzy zacz´li dokumentowaç Êwia-
dectwa wskazujàce, ˝e tego typu pionowe ruchy kontynentów
naprawd´ zachodzi∏y w przesz∏oÊci. Formacje osadowe na
ca∏ym Êwiecie zawierajà niezliczone dowody Êwiadczàce o nie-
ustannych fluktuacjach poziomu morza w czasie geologicz-
nym. Wi´kszoÊç geologów uwa˝a∏a, ˝e fluktuacje te zazna-
cza∏y si´ na wszystkich làdach jednoczeÊnie. Zdarzali si´

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2001 27

OBRAZ P¸ASZCZA ZIEMI jest efektem tysi´cy pomiarów pr´dkoÊci rozchodzenia si´ fal sejsmicznych w ró˝nych Êrodowiskach we-
wnàtrz planety. Fale rozchodzà si´ zazwyczaj szybko

(niebieski) w zimnych i g´stych ska∏ach, natomiast wolno (˝ó∏ty) – w ska∏ach go-

ràcych i mniej g´stych. Pod po∏udniowà Afrykà i po∏udniowym Atlantykiem wyst´puje obszar, gdzie fale sejsmiczne zwalniajà.
Jest to wznoszàcy si´ „bàbel” goràcych ska∏, zwany afrykaƒskim superpióropuszem. Widoczny jest równie˝ pas zimnych ska∏ pogrà-
˝ajàcych si´ pod kontynentem pó∏nocnoamerykaƒskim i wyspami Indonezji.

èRÓD¸O: JEROEN RITSEMA

California Institute of Technology

AMERYKA PÓ¸NOCNA

ZIMNE SKA¸Y

(P¸YTA FARALLON)

GORÑCE SKA¸Y

(AFRYKA¡SKI

SUPERPIÓROPUSZ)

ZIMNE SKA¸Y

(ZAPADLISKO INDONEZYJSKIE)

AFRYKA

P¸ASZCZ

JÑDRO ZEWN¢TRZNE

JÑDRO WEWN¢TRZNE

jednak tacy, którzy twierdzili, ˝e najpot´˝niejsze z tych ru-
chów sà wynikiem podnoszenia si´ i opadania samych kon-
tynentów. Kiedy, powiedzmy, jeden z làdów ulega∏ wyniesie-
niu wzgl´dem pozosta∏ych kontynentów, morze na jego
brzegach cofa∏o si´ (nastàpi∏a regresja), podczas gdy ogólny
poziom wód oceanicznych pozostawa∏ bez zmiany.

Wi´kszoÊç geologów sceptycznie przyjmowa∏a poglàd

o mo˝liwoÊci pionowych ruchów kontynentów – nawet wów-
czas gdy na poczàtku lat siedemdziesiàtych pojawi∏y si´
pierwsze doniesienia o dziwacznych podskokach Australii
w przesz∏oÊci geologicznej. John J. Veevers, geolog z Mac-
quarie University w Sydney, bada∏ ods∏oni´cia dawnych ska∏
we wschodniej Australii i stwierdzi∏, ˝e we wczesnej kredzie
(oko∏o 130 mln lat temu) p∏ytkie morze nagle zala∏o ca∏à t´
cz´Êç kontynentu. JednoczeÊnie transgresja na innych làdach
zachodzi∏a w znacznie wolniejszym tempie. Maksimum Êwia-
towej transgresji przypad∏o dopiero pod koniec okresu kredo-
wego (oko∏o 70 mln lat temu) – w tym czasie ocean wycofa∏
si´ ju˝ z australijskich brzegów. Wyglàda∏o wi´c na to, ˝e
wschodnia cz´Êç kontynentu najpierw zapad∏a si´ na g∏´bo-
koÊç wieluset metrów wzgl´dem wszystkich pozosta∏ych là-

dów, a potem zosta∏a na powrót wyniesiona, zanim globalny
poziom morza zaczà∏ opadaç.

MyÊl Veeversa o podrygujàcych kontynentach okaza∏a si´

tylko cz´Êciowo s∏uszna w odniesieniu do powik∏anych losów
Australii. W roku 1978 geolog Gerard C. Bond, dziÊ pracujàcy
w Lamont-Doherty Earth Observatory w Columbia University,
odkry∏ jeszcze dziwniejsze zachowanie mas làdowych. Okaza-
∏o si´, ˝e po tym, jak w okresie kredowym Australia najpierw
si´ zanurzy∏a, a nast´pnie wydêwign´∏a, dosz∏o w erze kenozo-
icznej do ponownego zapadni´cia kontynentu – tym razem
o 200 m. Nie umiemy w rozsàdny sposób, opierajàc si´ na za-
∏o˝eniach tektoniki p∏yt, wyjaÊniç tak nietypowych zjawisk geo-
logicznych. Aby tego dokonaç, trzeba b´dzie po∏àczyç dotych-
czasowà wiedz´ z nowà teorià Hagera na temat wp∏ywu
p∏aszcza Ziemi na ukszta∏towanie powierzchni naszej planety.

Pierwszym powa˝nym krokiem w tym kierunku by∏o roz-

pracowanie innego przypadku opisywanych przez Bonda
kontynentalnych podrygów. Pod koniec lat osiemdziesiàtych
Christopher Beaumont, geolog z Dalhousie University w No-
wej Szkocji, poczyni∏ zastanawiajàcà obserwacj´ dotyczàcà
po∏o˝enia Denver w stanie Kolorado. Chocia˝ miasto znaj-

PROCESY Z G¸¢BI ZIEMI

POGRÑ˚AJÑCY SI¢ KONTYNENT

POGRÑ˚AJÑCY SI¢ KONTYNENT

PODNOSZÑCY SI¢ POZIOM MORZA

PODNOSZÑCY SI¢ POZIOM MORZA

DLACZEGO KONTYNENTY
SI¢ ZAPADAJÑ

Oderwany fragment pogrà˝ajàcej
si´ p∏yty zaczyna opadaç w g∏àb
p∏aszcza. Jest jednak zbyt
zimny i g´sty, by zmieszaç si´
z otaczajàcymi ska∏ami.
W miar´ pogrà˝ania si´
p∏yta pociàga za sobà masy
kontynentu le˝àce wy˝ej

POGRÑ˚AJÑCA SI¢

P¸YTA

TEKTONICZNA

STREFA SUBDUKCJI

W miejscu wsuwania si´

jednej p∏yty pod drugà

tworzy si´ rów oceaniczny

P¸ASZCZ

Warstwa rozgrzanych ska∏

pomi´dzy p∏ytami litosferycznymi

a jàdrem ˝elazistym

duje si´ ponad 1500 m n.p.m., spoczywa na nie zdeformowa-
nych ska∏ach osadzonych na dnie p∏ytkiego morza w okresie
kredowym. Rozleg∏e morza pokrywa∏y w tym czasie znacz-
nà cz´Êç wszystkich kontynentów, choç poziom wód oce-
anicznych przewy˝sza∏ wspó∏czesny nie wi´cej ni˝ o 150 m.
A to oznacza, ˝e morza nie mog∏y nigdy wtargnàç w g∏àb là-
dów na wysokoÊç dzisiejszego Denver – chyba ˝e kontynent
amerykaƒski zosta∏ najpierw pogrà˝ony na setki metrów, da-
jàc wodom dost´p do swego wn´trza.

Bioràc pod uwag´ przebieg pó∏nocnoamerykaƒskiej linii

brzegowej w czasie kredy, Beaumont oszacowa∏, ˝e zanurze-
nie i nast´pne wypi´trzenie làdu a˝ do obserwowanych dziÊ
wysokoÊci musia∏o objàç obszar o Êrednicy prawie 1000 km.
Ruchy na tak wielkà skal´ nie bardzo dawa∏y si´ wyjaÊniç
w Êwietle ówczesnego przekonania o dominujàcej roli tekto-
niki p∏yt w kszta∏towaniu powierzchni Ziemi. Wed∏ug obo-
wiàzujàcego modelu geotektonicznego p∏yt ruchy pionowe
mogà zachodziç w odleg∏oÊci nie wi´kszej ni˝ oko∏o 150 km
od granic p∏yt, co przy ich niewielkiej mià˝szoÊci nie wystar-
cza do odkszta∏ceƒ na znacznie wi´kszych odleg∏oÊciach.
A przecie˝ w pó∏nocnoamerykaƒskim interiorze ruchy zacho-

dzi∏y setki kilometrów w g∏´bi làdu – znacznie dalej, ni˝ si´ga-
jà wp∏ywy napr´˝eƒ powsta∏ych po zderzeniu si´ p∏yt. Przyczy-
na ruchów najwyraêniej musia∏a le˝eç zupe∏nie gdzie indziej.

Beaumont wiedzia∏, ˝e gdzieÊ g∏´boko pod kontynentem

pó∏nocnoamerykaƒskim mogà ukrywaç si´ fragmenty daw-
nej skorupy oceanicznej i ˝e takie oderwane p∏aty mogà, teo-
retycznie, pociàgaç za sobà masy kontynentalne le˝àce powy-
˝ej. Aby stwierdziç, czy pogrà˝ajàce si´ w p∏aszczu masy
skalne mog∏y spowodowaç odkszta∏cenia w okolicach Den-
ver, Beaumont postanowi∏ po∏àczyç si∏y z Mitrovicà – wów-
czas studentem w University of Toronto, i Garym T. Jarvi-
sem z York University, równie˝ z Toronto. Stwierdzili, ˝e za-
padanie si´ Ameryki Pó∏nocnej w okresie kredowym mog∏o
byç wywo∏ane przez p∏yt´ zwanà Farallon pogrà˝ajàcà si´
w p∏aszczu u zachodnich wybrze˝y kontynentu. Posi∏kujàc
si´ modelami komputerowymi, zespó∏ wysunà∏ tez´, ˝e ruch
p∏yty w p∏aszczu odbywa∏ si´ w p∏aszczyênie niemal pozio-
mej. Pogrà˝anie si´ p∏yty spowodowa∏o wciàganie le˝àcych
powy˝ej partii kontynentu amerykaƒskiego; w koƒcu wtar-
gn´∏y tam wody oceaniczne, zalewajàc znaczne obszary
wn´trza làdu. Coraz g∏´bsze zanurzanie si´ p∏yty Farallon

OBNI˚AJÑCY SI¢ POZIOM MORZA

OBNI˚AJÑCY SI¢ POZIOM MORZA

SKORUPA KONTYNENTALNA

WZNOSZÑCY SI¢ KONTYNENT

WZNOSZÑCY SI¢ KONTYNENT

DLACZEGO LÑDY SI¢ PODNOSZÑ

Superpióropusz – bàbel goràcej
i lekkiej materii wznoszàcy si´
z powierzchni jàdra – przeciska si´
przez ska∏y p∏aszcza, od których
jest l˝ejszy. Podchodzàc pod litosfer´
wypycha kontynenty ku górze

SUPERPIÓROPUSZ

SUPERPIÓROPUSZ

GRZBIET ÂRÓDOCEANICZNY

Materia pochodzàca z p∏aszcza Ziemi

wype∏nia szczeliny w skorupie

oceanicznej, powodujàc tym samym

rozchodzenie si´ p∏yt litosferycznych

P¸YTA TEKTONICZNA

os∏abi∏o z czasem jej zdolnoÊç do oddzia∏ywania na masy là-
dowe. Wreszcie przewa˝y∏y si∏y wypychajàce Ameryk´, wy-
noszàc kontynent ponownie.

Kiedy w roku 1989 kanadyjscy naukowcy wysun´li swà

tez´, p∏yta faralloƒska ju˝ dawno wtopi∏a si´ w masy p∏asz-
cza, a jej istnienia mo˝na si´ by∏o jedynie domyÊlaç na pod-
stawie przes∏anek geologicznych z dna Oceanu Spokojnego.
W owym czasie brakowa∏o jeszcze wystarczajàco dok∏adnych
obrazów sejsmicznych, by stwierdziç obecnoÊç w p∏aszczu
tak niewielkiej struktury, jak pogrà˝ony fragment p∏yty oce-
anicznej. Kilka lat póêniej, w 1996 roku, nowe zdj´cia p∏asz-
cza zmieni∏y diametralnie ten stan rzeczy. Dwaj sejsmolodzy
z niezale˝nych zespo∏ów badawczych – Stephen P. Grand
z University of Texas w Austin i Robert D. van der Hilst z MIT
– zaprezentowali obrazy oparte na ca∏kowicie odmiennych
pomiarach fal sejsmicznych. Oba zdj´cia przedstawia∏y nie
ró˝niàce si´ w∏aÊciwie niczym struktury, szczególnie zimne
obszary p∏aszcza zwiàzane z pogrà˝ajàcymi si´ fragmenta-
mi skorupy oceanicznej. Na obrazach zarysy dawno zanik∏ej
p∏yty faralloƒskiej wyró˝nia∏y si´ wyraênie jako wygi´te p∏a-
ty pogrà˝one na g∏´bokoÊç 1.5 tys. km pod wschodnimi wy-
brze˝ami Stanów Zjednoczonych.

Opadajàce p∏yty

Powiàzanie „podrygów” kontynentu amerykaƒskiego z sub-

dukcjà dna oceanu stworzy∏o solidnà podstaw´ do wypraco-
wania jednolitej teorii ∏àczàcej wahania poziomu morza z ru-
chami pionowymi w p∏aszczu Ziemi. Fragment dawnej p∏yty
Farallon spoczywa dziÊ w obszarze o obni˝onej grawitacji, od-
krytym przez Chase’a przed 20 laty. Podejrzewam, ˝e po-
dobny mechanizm odnieÊç mo˝na równie˝ do zagadkowego
zachowania Australii w ciàgu okresu kredowego i czasów póê-
niejszych. Od 15 lat przeprowadzam symulacje komputerowe
procesów konwekcji w p∏aszczu. Wiele wyników wskazuje,
˝e ruchy te mogà wp∏ywaç na podnoszenie powierzchni là-
dów o setki metrów – a to mo˝e byç wyjaÊnieniem pozornych

regresji morskich o zasi´gu globalnym. Podobnie jak Chase,
Veevers i inni badacze stara∏em si´ odnaleêç w znanej historii
p∏yt tektonicznych wskazówki, które po∏àczy∏yby procesy za-
chodzàce w p∏aszczu z drganiami làdu australijskiego. W okre-
sie kredowym Australia wraz z Amerykà Po∏udniowà, Afry-
kà, Pó∏wyspem Indyjskim, Antarktydà i Nowà Zelandià
tworzy∏a jeden wielki superkontynent – Gondwan´. Zanim
dosz∏o do jego fragmentacji na znane nam dzisiaj bloki làdo-
we, kontynent ten istnia∏ bez wi´kszych zmian przez ponad
400 mln lat. Przez niemal ca∏y ten czas na obrze˝ach Gondwa-
ny znajdowa∏a si´ ogromna strefa subdukcji, gdzie ch∏odne
p∏yty oceaniczne pogrà˝a∏y si´ w goràcym p∏aszczu.

Nie opuszcza∏o mnie przekonanie, ˝e ta dawna strefa sub-

dukcji otaczajàca Gondwan´ przez setki milionów lat mo˝e
w jakiÊ sposób w dalszym ciàgu wywieraç wp∏yw na dziwne
zachowanie Australii. Utwierdzi∏em si´ w tym, gdy nanios∏em
zasi´gi dawnych stref subdukcji na mapy konfiguracji paleo-
p∏yt przygotowane przez R. Dietmara Müllera, geofizyka z
Sydney University. Prosty zabieg porównania dwóch zarysów
wyjaÊnia∏ wiele zagadek. Czas, w którym Australia uleg∏a ob-
ni˝eniu, dok∏adnie odpowiada∏ okresowi, kiedy przesuwa∏a
si´ nad dawnà gondwaƒskà strefà subdukcji.

Aby zrozumieç, jak zimne fragmenty dawnych p∏yt zacho-

wujà si´ w p∏aszczu przez miliony lat, wraz z Müllerem i
Louisem Moresi z Commonwealth Scientific and Industrial
Research Organization w Perth przeprowadziliÊmy symula-
cj´ komputerowà obrazujàcà wp∏yw p∏aszcza na kontynent au-
stralijski w d∏ugich okresach geologicznych. ZnaliÊmy pier-
wotne po∏o˝enie dawnej strefy subdukcji, histori´ poziomych
ruchów p∏yt na tym obszarze i przypuszczalne w∏aÊciwoÊci
(takie jak g´stoÊç) spoczywajàcego ni˝ej p∏aszcza. Przy tych
wyjÊciowych za∏o˝eniach program komputerowy stworzy∏
scenariusz losów Australii, który zdawa∏ si´ niemal dosko-
nale pasowaç do naszej hipotezy roboczej [ramka powy˝ej].

Scenariusz komputerowy pokazuje histori´ zaczynajàcà si´

przed oko∏o 130 mln lat – na wschodzie Australii rozciàga si´
strefa subdukcji, w której poch∏aniana jest skorupa oceanicz-

30 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2001

PODRYGI AUSTRALII

Model komputerowy obrazuje proces pogrà˝ania si´ kontynentów w nie istniejàcej ju˝ strefie subdukcji

130 mln lat temu

U wschodnich wybrze˝y Australii rozciàga∏a si´ strefa subduk-
cji, tworzàc g∏´boki rów oceaniczny. Zanurzajàca si´ tam p∏yta
tektoniczna (niebieski) wciàga∏a za sobà otaczajàce masy p∏asz-
cza i sàsiadujàcà cz´Êç Australii. W póêniejszym czasie sub-
dukcja zamar∏a, a kontynent rozpoczà∏ dryft ku wschodowi.

90 mln lat temu

W czasie przesuwania nad pogrà˝ajàcà si´ p∏ytà wschodnia po-
∏owa Australii zanurzy∏a si´ o oko∏o 300 m p.p.m. Mniej wi´cej
70 mln lat temu p∏yta zapad∏a si´ w g∏´bsze partie p∏aszcza, a jej
ruch sta∏ si´ wolniejszy; kontynent australijski znów wynurzy∏
si´ z wód oceanu.

AUSTRALIA

NOWA GWINEA

STREFA

SUBDUKCJI

POGRÑ˚AJÑCA SI¢

P¸YTA TEKTONICZNA

na. Odrywajàca si´ od Gondwany i podà˝ajàca na wschód
Australia znajduje si´ nad zimnym fragmentem poch∏oni´-
tej skorupy i wraz z nim zostaje pociàgni´ta w dó∏. Gdy w koƒ-
cu nieustajàcy ruch na wschód przesuwa Australi´ poza stre-
f´ „zagro˝enia”, kontynent ponownie si´ unosi.

Nasz model jest wi´c rozwiàzaniem zagadki zaobserwowa-

nych kiedyÊ przez Veeversa ruchów Australii w okresie kre-
dowym, ale wcià˝ nie wyjaÊnia zachowania kontynentu, na
przyk∏ad póêniejszego pogrà˝ania si´, odkrytego przez Bon-
da. Przy pomocy innego geofizyka, Caroliny Lithgow-Bertel-
loni, pracujàcej dziÊ w University of Michigan, potwierdzili-
Êmy obserwacje Bonda, wed∏ug których Australia obni˝y∏a si´
w ciàgu swego kenozoicznego ruchu ku pó∏nocy (w kierunku
Indonezji) o oko∏o 200 m. Zgodnie z globalnym modelem p∏asz-
cza opracowanym przez Lithgow-Bertelloni, obejmujàcym hi-
stori´ procesów subdukcji, masyw Indonezji jest dziÊ wciàgni´-
ty w g∏àb bardziej ni˝ jakikolwiek inny blok na Êwiecie, gdy˝
znajduje si´ na przeci´ciu ogromnego systemu struktur sub-
dukcyjnych na granicy Oceanu Spokojnego i Oceanu Indyjskie-
go. Pogrà˝ajàcy si´ obszar Indonezji pociàga za sobà Australi´.
Jest on wielkim obni˝eniem naszej planety – jedynie najwy˝-
sze jego szczyty wystajà ponad powierzchni´ wód oceanu.

I tak mo˝emy powróciç do problemu Afryki. W pewnym

sensie Indonezja jest przeciwieƒstwem Afryki: pierwsza wcià˝

si´ pogrà˝a, druga zaÊ nieustannie wznosi ku górze. Te i in-
ne zmiany w p∏aszczu, które wydarzy∏y si´ w ciàgu ostatnich
kilkuset milionów lat, sà ÊciÊle zwiàzane z losami Gondwany.
Pas obni˝onej grawitacji, odkryty przed 30 laty przez Cha-
se’a, powsta∏ w wyniku ciàg∏ego zag∏´biania si´ p∏yt w obr´-
bie ogromnej strefy subdukcji, otaczajàcej niegdyÊ wielki su-
perkontynent. W samym centrum Gondwany znajdowa∏a si´
po∏udniowa cz´Êç Afryki, co oznacza, ˝e le˝àcy poni˝ej p∏aszcz
by∏ odizolowany od efektu „sch∏adzania” wywo∏anego przez
zapadajàce si´ p∏yty – wówczas i obecnie. A to t∏umaczy, skàd
bierze si´ superpióropusz ciep∏a wznoszàcy si´ dziÊ w g∏´-
boko zalegajàcym p∏aszczu pod po∏udniowà Afrykà.

Wszystkie te odkrycia pozwoli∏y nam odmalowaç dyna-

miczny obraz ruchów zachodzàcych wewnàtrz p∏aszcza ziem-
skiego. Badacze zaczynajà dostrzegaç z∏o˝one zwiàzki mi´dzy
procesami w p∏aszczu a ukszta∏towaniem powierzchni na-
szej planety. To dzi´ki tym ruchom (tak˝e tym, które zacho-
dzà w najg∏´bszych partiach p∏aszcza) p∏yty tektoniczne prze-
suwajà si´ z wolna w poziomie i to one równie˝ wywo∏ujà
pionowe „podrygi” bloków làdowych. Po∏o˝enie dawnych
kraw´dzi p∏yt wcià˝ oddzia∏uje – po up∏ywie milionów lat –
na mechanizmy kszta∏tujàce powierzchni´ kontynentów.

Nasza zdolnoÊç do zrozumienia zawi∏oÊci dynamiki prà-

dów konwekcyjnych w p∏aszczu i ruchów p∏yt litosferycz-
nych ju˝ wkrótce znacznie si´ rozwinie wraz z pojawieniem
si´ nowych technik obserwacji p∏aszcza i metod symulacji
odbywajàcych si´ w nim ruchów. Dzi´ki pomiarom zmian
pola grawitacyjnego odczytuje si´ zarazem zmiany w cha-
rakterze pràdów konwekcyjnych w p∏aszczu. Monitorowa-
nie tych zmian nat´˝enia ziemskiego pola grawitacji jest wa˝-
nym elementem amerykaƒsko-niemieckiej misji kosmicznej
pod kryptonimem GRACE, planowanej na czerwiec br. Dwa
satelity dokonywaç b´dà w odst´pach dwutygodniowych
dok∏adnych pomiarów pola grawitacji, co pozwoli prawdo-
podobnie na uchwycenie powolnych ruchów pionowych
zwiàzanych z konwekcjà w p∏aszczu. Równie˝ obrazy sej-
smiczne o du˝ej rozdzielczoÊci umo˝liwià zapewne rozpo-
znanie procesów zachodzàcych dziÊ w p∏aszczu. W czasie za-
planowanego na 5–10 lat projektu badawczego USArray 400
po∏àczonych sejsmometrów dostarczy jednorodnego obrazu
(o rozdzielczoÊci 80 km) górnych kilku tysi´cy kilometrów
p∏aszcza.

Plany wykonania bezprecedensowych pomiarów i zdj´ç sej-

smicznych p∏aszcza w nadchodzàcym dziesi´cioleciu, z wyko-
rzystaniem znacznie pot´˝niejszych superkomputerów, stano-
wià r´kojmi´ wyjàtkowo obfitych plonów w badaniach nad
dynamikà procesów zachodzàcych we wn´trzu Ziemi. Ju˝ te-
raz jednak poznajàc niektóre szczegó∏y historii geologicznej
ogromnej warstwy rozciàgajàcej si´ od litosfery a˝ po jàdro
p∏aszcza, badacze zrobili niezwyk∏e post´py w badaniu naj-
g∏´bszych przyczyn kszta∏tujàcych oblicze naszej planety.

T∏umaczy∏

Marcin Ryszkiewicz

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 2001 31

Informacje o autorze

MICHAEL GURNIS jest geofizykiem zajmujàcym si´ dy-
namikà tektoniki p∏yt i wn´trzem ziemskiego globu. Ju˝
przed 20 laty, kiedy studiowa∏ na Wydziale Nauk o Zie-
mi, zainteresowa∏ si´ procesami geologicznymi, które
wp∏ywajà na losy naszej planety. Wraz ze swym zespo∏em
badawczym w California Institute of Technology Gurnis
opracowuje obecnie programy komputerowe symulujàce
histori´ ruchów materii w p∏aszczu i pokazujàce, jak
procesy te kszta∏towa∏y oblicze planety. Badania Gurnisa
koncentrowa∏y si´ w ciàgu ostatnich trzech lat nad roz-
szyfrowaniem tajemnicy afrykaƒskiego wybrzuszenia
oraz „podrygów” Australii podczas okresu kredowego.

Literatura uzupe∏niajàca

DYNAMICS OF CRETACEOUS VERTICAL MOTION OF AUSTRALIA AND THE AUSTRALIAN-

-ANTARCTIC DISCORDANCE.

Michael Gurnis, R. Dietmar Müller i Louis Moresi; Science,

tom 279, s. 1499-1504; 6 III 1998.

DYNAMIC EARTH: PLATES, PLUMES AND MANTLE CONVECTION.

Geoffrey F. Davies; Cam-

bridge University Press, 2000.

CONSTRAINING MANTLE DENSITY STRUCTURE USING GEOLOGICAL EVIDENCE OF SURFACE UPLIFT

RATES: THE CASE OF THE AFRICAN SUPERPLUME.

Michael Gurnis, Jerry X. Mitrovica, Jero-

en Ritsema i Hendrik-Jan van Heijst; Geochemistry, Geophysics, Geosystems, tom 1,
Paper No. 1999GC000035; 2000. Dost´pne pod adresem: http://146.201.254.53/pu-
blicationsfinal/articles/1999GC000035/fs1999GC000035.html

Gurnis’s Computational Geodynamics Research Group pod adresem: www.gps.cal-

tech.edu/~gurnis/geodynamics.html

DziÊ

Australia, pchni´ta przez si∏y dryfujàcych p∏yt tektonicznych, któ-
re rozpocz´∏y aktywnoÊç 45 mln lat temu, znajduje si´ na pó∏noc
od swej pierwotnej lokalizacji. Kontynent obni˝y∏ si´ w stosunku do
swego najwy˝szego po∏o˝enia. Jest to efekt zapadania si´ mas
w p∏aszczu pod obszarem Indonezji, który równie˝ si´ obni˝a.

AUSTRALIA

WYSPY INDONEZJI

NOWA GWINEA

NOWA

ZELANDIA