Wody mało kwasne (pozbawione CO2) - szybkie przesycenie wód CaCO3 - postać mikrytu, mułu wapiennego. Minerały te opadają w głąb oceanu; ulegają w końcu rozpuszczeniu na skutek tarcia o wodę. Głębokość, na której zawartość spada poniżej 20% nazywamy głębokością kompensacji węglanów CCD.
Głębokość CCD zależy zarówno od wzrostu kwasowości wód głębinowych (wody głębinowe są bardziej kwaśne bo są bardziej zimne, a chłód związany jest z obecności prądów przydennych które migrują w przeciwną stronę od biegunów, im woda bardziej zimna tym więcej CO2 - bardziej kwaśna), jak i od ilości opadającego materiału. Przy dużej ilości tych strąceń o różnej genezie, część może dotrzeć nawet do dna, szczególnie wówczas, gdy zostanie szybko przesypana osadem. W strefie równikowej CCD znajduje się na największej głębokości, co jest związane z duża produktywnością wód, a przede wszystkim z wysoką ich temperatura (strącanie CaCO3 - strącanie w czajniku). Głębokość CCD maleje wraz z przybliżaniem do kontynentów, gdzie produktywność wód jest jeszcze większa. Tą pozorną sprzeczność można tłumaczyć dużym udziałem substancji organicznej dostarczanej z lądu, jak tez dopływem bogatych w CO2 wód rzecznych. Wg obliczeń, czas zanim drobny osad węglanowy lub szkieleciki osiągną głębokość kilku tysięcy metrów, może wynosić dziesiątki a nawet setki lat. W obliczeniach tych zakłada się, że każda cząsteczka jest idealnie owalna. Gdyby wziąć pod uwagę, że nie jest owalna, jest kanciasta, czas opadania byłby jeszcze znacznie większy. Jak to zatem możliwe, że cząstki przy tak długim opadaniu nie rozpuści się i część dotrze do tej głębokości 4-4,5 tys. m. Jest to prawdopodobnie i przede wszystkim efekt zjawiska tzw. deszczu morskiego, który jest złożony z fekalnych pelletów. Jeden pellet może zawierać milion kokolitów. Warunkiem, aby osad węglanowy dotarł na głębokość i utworzył osad wapieni pelagicznych (jednorodnych, mikrytowych) jest agregacja cząstek, połączenie.
Osady krzemionkowe
Woda morska jest zawsze niedosycona krzemionką (jest w stanie ją ciągle rozpuszczać; przesycona - następuje strącenie). Rozpuszczalność opalu spada o ok. 30% wraz ze spadkiem temperatury, z 25 do 5oC. Jeżeli temperatura spadnie to zarazem będzie większa stabilność osadu krzemionkowego, który będzie trudniej rozpuszczalny. Umożliwia to niekiedy sedymentacje osadów krzemionkowych. Im będzie wyższa temperatura tym rozpuszczalności będzie większa. Podobnie jak w wypadku cząstek węglanowych, aby drobne cząstki krzemionkowe mogły być zdeponowane na dużej głębokości, potrzebny jest deszcz morski. Zaledwie 1-10% szkielecików obecnych w wodach o wysokiej produktywności pozostaje nierozpuszczone, tworząc osad. Elementy dostarczające krzemionki - okrzemki i radiolarie. Powyżej CCD osad ten jest rozproszony w obrębie węglanów. Wobec tego warunkiem powstania skał krzemionkowych jest głębokość większa od CCD. Gdzie takie warunki panują? Przede wszystkim na wysokich szerokościach geograficznych, bo tam wody są zimne, jak też w strefach upwellingu, tam, gdzie mamy do czynienia z prądami wstępującymi (zimne prądy mają charakter wstępujący).
Jakie jest tempo sedymentacji? W pobliżu kontynentu warstwa kilku metrów osadu okruchowego tworzy się w przeciągu tysiąca lat. Taka sama miąższość osadów krzemionkowych powstaje w okresie ok. miliona lat.
W ciągu miliona lat ilość węglanów wyniosła by kilkadziesiąt metrów.
Elementy paleooceanografii
istnieją pewne cechy osadów, które pozwalają nam odtworzyć temperaturę wody kopalnej, stopień jej zasolenia czy też głębokość. Najłatwiej głębokość można rozpoznać po obecności określonych mirkoorganizmów bentonicznych; otwornice - ok. 3 tys. m. Ale są też bardziej wyrafinowane metody określania warunków - badania izotopowe. Przykładem takich badań są oznaczenia 18O i 16O, który występuje w szkieletach kopalnych organizmów. Izotop 16O jest lżejszy od 18O. Stąd 16O jako pierwszy ulega ewaporacji w formie H2O16. Woda ta jest wiązana w obszarach polarnych w formie lodu. W ten sposób w zależności od klimatu zmienia się proporcja tych dwóch izotopów. Aktualny stosunek jest także zapisany w szkieletach organizmów. To znaczy gdy proporcja 18O:16O jest wysoka, to wiemy, że oceany były relatywnie pozbawione 16O, który został związany w lodzie. Jeśli wzrasta proporcja 18O:16O wiemy, ze mamy do czynienia z okresem względnego ochłodzenia klimatu.
Wody północnego Atlantyku uległy ochłodzeniu z 5oC w środkowym miocenie do 2,5oC w plejstocenie.
Tektonika płyt litosfery
Już w ubiegłych stuleciach wraz z powstaniem pierwszych map zwrócono uwagę, że kontynenty, w tym szczególnie Afryka i Ameryka Płd., mogą pasować do siebie na zasadzie puzzli. Pierwszą osobą, która studiowała ten problem był Antonio Snider - Pellegrini. W 1858 ukazała się książka tego autora „Stworzenie i odkrycie jego misterium”, w książce tej pojawiła się rekonstrukcja ukazująca, że kontynenty mogły być ze sobą połączone. Nie było to jednak tylko dewagacja. Antonio wykorzystał już wówczas dowody oparte na skamieniałościach Am. Płn. i Europy. Wówczas teoria ta była uznana za nieprawdziwą. Istniało wówczas przeświadczenie, że kontynenty musiały być w jakiś sposób ze sobą połączone, przy czym fakt ten tłumaczono obecnością hipotetycznych „pomostów” zbudowanych ze skał kwaśnych - na dnie obszarów były przełazy, obecnie zalane wodą, które umożliwiały migracje roślin i zwierząt. Za prawdziwością tej hipotezy miało świadczyć rozprzestrzenienie niektórych gatunków zwierząt i roślin. Szczególną uwagę zwracano wówczas na podobieństwo fauny Indii oraz Madagaskaru. Drugim bardzo istotnym faktem, który niepokoił badaczy, była obecność złóż węgla kamiennego w Indiach, Australii, południowej Afryce, Am. Płd., przy czym wszystkie te złoża zawierały liście paprotnika Glossopteris. W XX w. podobne złoża odkryto także na Antarktydzie. Do tej koncepcji połączonych kontynentów na początku XX w. powrócili Frank Taylor oraz Alfred Wegener. Wegener zwrócił uwagę na szczególne dopasowanie kontynentów po uwzględnieniu ich szelfów, uznając je za fragmenty prakontynentu, który nazwał Pangeą. Wg Wegenera w górnym karbonie nastąpiło potrzaskanie Pangei, co dało początek O. Atlantyckiemu i Indyjskiemu. Na jakie dowody wskazywał Wegener? Po obu stronach Atlantyku (W Am. Płd. i Afryce) występują podobne skały i podobne struktury geologiczne. Wegener zwrócił uwagę na podobieństwo budowy geologicznej Indii, Madagaskaru i wschodniej Afryki. Wegener opisał także wyspę Juan Fernandez (wybrzeża Chile), której roślinność jest całkowicie odrębna od roślinności Ameryki Płd. natomiast posiada wiele cech wspólnych z Ziemią Ognistą oraz innymi wyspami Pacyfiku. Wg Wegenera wskazywało to na fakt, ze to Am. Płd przybliżyła się do wyspy. Wegener zmarł podczas wyprawy na Grenlandię. Fanem Wegenera był Aleksander du Toit. Du Toit przeprowadził korelację stratygraficzną Antarktydy, Płd. Afryki, Am. Płd i Indii. Zauważono równowiekowe karbońskie tillity - kopalne gliny lodowcowe. Tillity te są przewarstwione warstwami węgla z florą glossopterisową. Tillit - oziębienie klimatu, węgiel - ocieplenie. Jednym z poważnych dowodów była obecność rys lodowcowych. Du Toit skorelował kierunki rys lodowcowych na poszczególnych kontynentach, gdyby połączyć kontynenty, mamy do czynienia z radialnym rozkładem zarysowań świadczący o tym, że był to obszar czapy, z której lodowiec migrował promieniście we wszystkich kierunkach. Inny dowód - gad Mesosaurus - zwierzątko słodkowodne, które nie mogło przepłynąć Atlantyku. Osady jurajskie z kolei to między innymi piaski eoliczne, jurajska także pokrywa bazaltów występujące na obszarze tych kontynentów.
Dowody na połączenie kontynentów w przeszłości
Dowody paleontologiczne - rozprzestrzenienie istot lądowych, które nie mogły się przemieścić przez wody oceanów: Mesosaurus znany z płd. Ameryki i płd. Afryki, Cynognathus - lądowy gad, znaleziony w Argentynie i płd. Afryce, Lystrosaurus znaleziony w Afryce, na Antarktydzie (1969) i w Indiach oraz Glossopteris.
Dowody paleoklimatyczne - olbrzymie złoża węgla Antarktydy są współcześnie przykryte lądolodem; Kadzielnia w Kielcach to kopalna rafa koralowa; Wieliczka i Kłodawa to złoża soli kamiennej, która wymaga ewaporacji - bardzo ciepłego klimatu. We wszystkich tych wypadkach mamy do czynienia z obecnością zjawisk typowych dla klimatu bądź suchego bądź tropikalnego. Obszary te musiały znajdować się na innych szerokościach geograficznych niż obecnie. Mamy lasy równikowe i symetrycznie położone do nich obszary pustynne. Gdyby połączyć kontynenty uzyskalibyśmy ten sam obraz.
Dowody strukturalne
Podobieństwo strukturalne (przebieg fałdów) gór fałdowych po obu stronach Atlantyku; podobieństwo to dotyczy skał, których wiek jest większy niż 145 mln lat - skały starsze od kredy.
Dopasowanie proterozoicznych skał tarczy brazylijskiej i afrykańskiej
Góry Przylądka Dobrej Nadziei
Współcześnie zakłada się, ze początek rozpadu Pangei miał miejsce ok. 200 mln lat temu (górny trias - jura).
Inne dowody:
Obecność głębokich dolin (ryftów) biegnących równolegle w obrębie grzbietów śródoceanicznych. Doliny ryftowe są ewidentnym efektem procesów tensyjnych (rozciągających). Trzeba pamiętać, że to obszary zwiększonego strumienia ciepła oraz intensywnych zjawisk wulkanicznych (patrz Islandia). Jeśli zaś chodzi o rowy oceaniczne, mamy do czynienia z obniżonym strumieniem ciepła - ilość ciepła wydostającego się z Ziemi jest mniejsza w stosunku do średniej. W obszarach rowów obserwowane jest zjawisko ujemnych anomalii grawitacyjnych świadczących o deficycie masy - skał relatywnie mniej gęstych. Kolejnym dowodem jest rozkład trzęsień ziemi obserwowany w pobliżu rowów oceanicznych; w pobliżu rowu mamy płytkie trzęsienia, coraz dalej od rowu mamy do czynienia z ogniskami na coraz większej głębokości. Jeśli układ ognisk połączymy ze sobą uzyskamy prostą zapadającą pod kątem 45o - strefa Benioffa. Mamy do czynienia z płytą litosfery która pod tym katem jest pogrążana w obrębie płaszcza Ziemi.
Stwierdzenie obecności astenosfery. Gdyby nie było astenosfery - strefy wolnych prędkości LVL (masła, po którym skorupa może jeździć), nie byłoby możliwości aby teoria tektoniki płyt litosfery miała racje bytu.
Wyniki badań z lat 50' i 60' XX w. - badania paleomagnetyczne. Skały zawierające w sobie duża ilość żelaza (dokładnie chodzi o magnetyt) mogą być z łatwością namagnesowane po ostygnięciu poniżej temperatury 580oC. Temperatura ta dla magnetytu to tzw. punkt Curie, powyżej którego ciała tracą własności magnetyczne. Poszczególne fragmenty magnetytu układają się równolegle do linii aktualnego pola magnetycznego w magmie, która stygnie i osiąga temperaturę 580oC. Zapis ten jest tak silny, ze nawet jeśli później pojawią się zmiany pola magnetycznego, to pierwszy zapis jest najważniejszy. Badania w Am. Płn. - na każdym z kontynentów zapis zmian pola magnetycznego był inny. Gdy zestawiono dano okazało się, ze dane są ze sobą pozornie sprzeczne. Biegun magnetyczny Europy był zawsze inny niż biegun magnetyczny Am. płn, chyba że kontynenty połączone były ze sobą. Mamy wówczas wspólny obraz wędrówki bieguna magnetycznego Ziemi.
W 1963 pojawiła się teoretyczna praca napisana przez dwóch badaczy - Freda Vine'a i Drummonda Matthews. Autorzy ci zaproponowali wykorzystanie zjawiska paleomegnetyzmu do sprawdzenia prawdziwości teorii o spreadingu (rozsuwaniu) dna oceanicznego. Jeżeli spreading ma miejsce, to musi być on zapisany w formie pasowych anomalii magnetycznych. Szybko ta teoretyczna praca znalazła potwierdzenie w badaniach. Jeżeli mamy do czynienia z pęknięciem skorupy oceanicznej, powstaje szczelina, lawa, która wypełnia szczelinę przyjmuje układ panującego w danym momencie pola magnetycznego. Dalsze siły rozciągające skorupę prowadza do pęknięcia szwu i zapełnienia powstałej szczeliny nowa magmą. W tym momencie nowa magma zapisuje ponownie zapis sił pola magnetycznego a pierwotny układ jest rozerwany i mamy dwa pasy symetryczne do siebie. Patrząc na dno Atlantyku widzimy symetryczne pasy. Badania te umożliwiły sporządzenie tabeli stratygraficznej opartej na zmianach pola magnetycznego ziemi. Dochodziło do inwersji pola magnetycznego wielokrotnie.
Poznanie wyszczególnionych do tej pory dowodów umożliwiło sformułowanie koncepcji tektoniki płyt i związanej z nią hipotezy rozrostu dna oceanicznego (in. spreadingu). Autorami tej teorii byli: Robert Dietz (1961) oraz Harry Hess (1962). Harry Hess był marynarzem pływającym na amerykańskich statkach podwodnych w czasie II wojny światowej. Poznał morfologię den oceanicznych. Wg tej hipotezy w osiach grzbietów śródoceanicznych przedostaje się ku górze rozgrzana materia płaszcza, która wypełnia szczelinę osiową. Po jej zakrzepnięciu skorupa oceaniczna jest w tym miejscu rozbudowywana. Z upływem czasu proces ten jest powtarzany. Wraz ze spadkiem temperatury wzrasta gęstość młodych skał skorupy oceanicznej przy jednoczesnym spadku ich objętości. Dzięki temu ulega ona zanurzeniu, powstają głębie abisalne. Zjawisku rozbudowywania towarzyszy zjawisko niszczenia tejże skorupy w strefach rowów oceanicznych i strefie Benioffa. Proces ten polega na subdukcji (zanurzaniu).
Podstawę tektoniki płyt stanowią następujące założenia:
Litosfera jest podzielona na kilkanaście płyt: pacyficzną, północno - amerykańską, południowo - amerykańską, afrykańską, euroazjatycką, indoaustralijską, antarktyczną i mniejsze takie jak: Nazca, Cocos (kokosowa), Juan de Fuca, szkocka, arabska, irańska, anatolijska, karaibska, adriatycka, filipińska.
Płyty są sztywne i mogą przemieszczać się w tempie kilku cm/rok po powierzchni astenosfery. (płyta = kra litosfery; płyta kojarzy się z czymś gładkim a tu chodzi o nierówną krę, która zachowuje się izostatycznie jak kra lodu na wodzie). Płyty są stale odnawiane w strefach grzbietów śródoceanicznych i niszczone w strefach subdukcji.
Składają się one albo wyłącznie ze skorupy oceanicznej (płyta pacyficzna), albo ze skorupy oceanicznej i kontynentalnej (afrykańska).
Kontynenty są przemieszczane z całą płytą, a ich krawędzie mogą się znajdować albo wewnątrz płyty (krawędź pasywna) albo w pobliżu granic płyt (krawędź aktywna typu andyjskiego). Pamiętać, że płyta czy kra litosfery to nie jest kontynent! Nie mylić krawędzi płyty z krawędzią kontynentu! Krawędź pasywna - nic się z nią nie dzieje (północno - amerykańska), w przypadku ameryki południowej mamy sytuację, gdzie koniec kontynentu jest końcem płyty - krawędź aktywna.
Bloki kontynentu jako lżejsze nie podlegają subdukcji.
Wnętrza płyt nie podlegają większym deformacjom ciągłym, które są skupione na ich granicach.
Granice płyt są trzech rodzajów:
granice dywergentne (akrecyjne), gdzie płyty ulegają rozsunięciu (ryfty i grzbiety śródoceaniczne)
granice konwergentne; płyty ulegają zsunięciu, jedna z nich podsuwa się pod drugą i jest w strefie subdukcji pochłaniana
uskoki transformujące; płyty przesuwają się względem siebie; zjawisko uskoku transformacyjnego zostało odkryte w roku 1965 przez Tuzo Wilsona, do tego czasu znane było zjawisko uskoku przesuwczego; prędkość kątowa i prędkość liniowa; jeśli prędkość kątowa będzie stała to prędkość liniowa w różnych miejscach na ziemi będzie różna, największa na równiku. Zatem jeśli w obrębie kuli mamy do czynienia z prądami konwekcyjnymi to płyta oddalająca się od płyty przesuwa się z różną prędkością w różnych miejscach. W strefie równikowej (względem osi rotacji) prędkość będzie największa i im bliżej bieguna osi rotacji prędkość ta będzie mniejsza. Płyty litosfery aby mgły się oddalać muszą się oddalać w różnych miejscach z różną prędkością. Muszą istnieć uskoki, rozłamy, by to zjawisko miało miejsce. Stąd uskoki transformacyjne są do siebie równoległe i prostopadłe do osi grzbietu.
Mechanizmem napędowym ruchu płyt są prądy konwekcji cieplnej. Ruch ten ma charakter rotacji wokół odpowiednio dobranej osi.
Dywergentne granice płyt
Dotyczą miejsc, gdzie płty się rozsuwają - podlegają spreadingowi. Strefa ta zaznaczona jest obecnością grzbietów śródoceanicznych poprzecinanych dolinami ryftowymi i prostopadłymi do tych dolin uskokami transformacyjnymi. Grzbiety śródoceaniczne wykazują odmienną budowę wewnętrzną w stosunku do kontynentalnych gór fałdowych, są bowiem zbudowane z bazaltu, nie posiadają deformacji ciągłych (w ich budowie nie spotkamy fałdów), ani też zmetamorfizowanych skał osadowych. Pod pojęciem ryftu rozumiemy wydłużoną depresję czyli rów lub zespół rowów tektonicznych ograniczoną uskokami normalnymi. Ryfty powstają poprzez termiczne wygięcie ku górze rozgrzanej litosfery, w wyniku czego ulega ona rozciągnięciu, a w końcu rozerwaniu. Proces ten prowadzi do utworzenia dywergentnych granic dwóch nowo powstałych płyt.