Sveučilište u Zagrebu - Geodetski fakultet

Ak.god. 2011./2012. - zimski semestar

Diplomski studij

Usmjerenje: Geodezija

Kolegij: Geofizička geodezija

SEMINAR

KONVEKCIJSKA I TEKTONSKA NAPREZANJA

1

Izradili:

Jakov Maganić

Ivan Majić

U Zagrebu, siječanj 2012. Josip Marković

2

Sadržaj

1. Uvod..................................................................................................................................4

2. Povijesni pregled hipoteza kako Zemlja funkcionira?.......................................................5

2.1 Prve hipoteze: hipoteza kontrakcije i ekspanzije........................................................5

2.2 Hipoteza teorije geosinklinala....................................................................................5

2.3 Hipoteza kontinentalnog drifta – Wegenerove observacije.......................................7

2.3.1 Obodi kontinenta se međusobno poklapaju.......................................................7

2.3.2 Vrste stijena na obodima današnjih kontinenata................................................7

2.3.3 Kontinuitet i sličnost geoloških struktura............................................................8

2.3.4 Fosilni dokazi.......................................................................................................8

2.3.5 Klimatske karakteristike......................................................................................9

2.4 Od hipoteza u susret teoriji......................................................................................11

2.4.1 Paleomagnetizam?............................................................................................12

2.4.2 Što se kreće: magnetni pol Zemlje ili kontinenti?..............................................12

2.4.3 Paleomagnetizam i seafloor spreading..............................................................13

3. Građa Zemlje...................................................................................................................15

3.1 Zemljina kora............................................................................................................16

3.2 Zemljin plašt.............................................................................................................16

3.2.1 Vanjski plašt......................................................................................................17

3.2.2 Unutarnji plašt...................................................................................................17

3.3 Zemljina jezgra..........................................................................................................18

3.3.1 Vanjska jezgra....................................................................................................18

3.3.2 Unutarnja jezgra................................................................................................18

3.4 Diskontinuiteti..........................................................................................................19

3

4. Zemljine litosferne ploče.................................................................................................20

4.1 Tipovi granica ploča..................................................................................................22

4.1.1 Transformne (konzervativne) granice...............................................................23

4.1.2 Divergentne (konstruktivne) granice.................................................................24

4.1.3 Konvergentne (destruktivne) granice................................................................25

5. Uvod u konvekcijsko naprezanje.....................................................................................27

5.1 Što pokreće Zemlju? – konvekcijsko strujanje astenosfere......................................30

6. Konvekcijska energija, naprezanje i viskoznost plašta....................................................32

6.1 Hipoteze konvekcijskog modela širenja topline........................................................36

6.2 Razmatranja hipoteza konvekcijskog modela širenja topline...................................37

7. Sile uzgona perjanica u dubokom plaštu.........................................................................39

7.1 Uvod......................................................................................................................... 39

7.2 Granični sloj jezgre i plašta.......................................................................................39

7.2.1 Odnos materijala uslijed promjene temperature u D"sloju...............................40

7.3 Perjanice...................................................................................................................41

7.3.1 Povezanost perjanica i D" sloja..........................................................................43

7.3.2 Struktura i dinamika dubokoplaštnih perjanica.................................................43

7.3.3 Računanje svojstvenih parametara perjanica i sile uzgona...............................43

8. Zaključak......................................................................................................................... 46

9. Literatura........................................................................................................................ 47

4

1. Uvod

Desetljeća opće nevjerice u teoriji „kontinentalnog drifta“ prethodilo je priznavanju

tektonskih ploča 1960-ih. 1800-ih, Kelvin je primijetio da snaga plimnih valova djeluje na

Zemlju, te da je prosječni modul krutosti veći od modula krutosti čelika, te kada je

seizmologija pružila pojedinosti o internoj strukturi, pokazalo se da je Zemlja čvrsta na

gotovo 2.900 km dubine. Rani zagovornici teorije o privlačenju kontinenata suočeni s

težinom dokaza čvrstoće pokazali su se nekompatibilni, te popustljivi na bilo koje naprezanje

tada predviđeno. Konvekcija je razmatrana u 1800-im kao sredstvo prenošenja topline iz

duboke unutrašnjosti i rješavanje problema poznavanja starosti Zemlje. Ali ideja je ugušena,

prvo poteškoće s solarnom energijom, a zatim, kada je otkrivena radioaktivnost, sa

priznanjem da je njezina koncentracija u kontinentalnoj stijenama, te je predloženo da su

Zemljini izvori topline plitko. Ali 1960., paleomagnetički dokaz teorije o privlačenju

kontinenata je postao neodoljiv, pokretljivost oceanskih slojeva prepoznata i objašnjenje u

smislu konvekcije je postalo nezaobilazno. Kao što smo sada razumjeli, sve tektonski procesi

su u konačnici pokrenuti konvekcijom. Ono što vidimo na površini izraz je pokreta koji je

nužno duboko.

Termodinamički su argumenti ključni za razumijevanje konvekcijske energije i

tektonskih naprezanja. Mehanička energija se može izvodi samo prijenosom topline prema

gore iz vrlo dubokih izvora. Ta energija je proizvod toplinskog toka i učinkovitosti

termodinamike, dana procjenom snage od 7,7 *1012 W. Ključno je pokazati da je

konvekcijska snaga dovoljna da se objasni tektonika (Stacey, Davis 2008).

5

2. Povijesni pregled hipoteza kako Zemlja funkcionira?

Ukratko biti objašnjeno na koji način su znanstvenici prije pokušavali objasniti kako je

naš planet nastao i na koji način se razvija. Biti će predstavljena teorija tektonike ploča, kao i

osnovne metode i tehnike današnje geologije da bi se bolje razumjelo konvekcijsko i

tektonsko naprezanje.

2.1 Prve hipoteze: hipoteza kontrakcije i ekspanzije

Prije teorije tektonike ploča i drugih hipoteza, znanstvenici su objašnjavali nastanak

Zemlje, njezinu evoluciju i strukture Zemljine kore prvenstveno pomoću dvije hipoteze.

Jedna je hipoteza kontrakcije, a druga ekspanzije. Prva hipoteza tvrdi da se Zemlja kao

planet konstantno hladi i da tokom hlađenja dolazi do kontrakcije materije. Na ovaj način

mogu se objasniti ubrani i izdignuti pojasevi planina nastali u kontekstu kompresije.

Međutim, ono što ova hipoteza ne može objasniti je stalno međusobno razmicanje

kontinenata. Grupa znanstvenika ovu hipotezu je potvrđivala tako što je uzimala za netočno,

tj. znanstveno nedokazivo razmicanje i kretanje kontinenta, što će se kasnije pokazati kao

vrlo netočno. Druga hipoteza bila je hipoteza ekspanzije koja tvrdi da je Zemlja u stalnom

zagrijavanju i, samim tim, u ekspanziji. Ovo bi, eventualno, moglo objasniti odmicanje

kontinenata jednog od drugog, ali ne može objasniti formiranje planinskih lanaca koji

pokazuju naborane strukture, tj. forme koje su karakteristične za kompresiju, ne za

ekstenziju.

Pošto ni jedna od dvije hipoteze ne objašnjava na pravi način sve strukture Zemlje, ukazala

se potreba za novom hipotezom koja će biti u stanju dati odgovor o nastanku Zemlje i

struktura Zemljine kore (Morre, Twiss 1995).

2.2 Hipoteza teorije geosinklinala

Teorija geosinklinala predstavlja teoriju o evoluciji i strukturi Zemljine kore. Ova

teorija mora biti spomenuta kao jedna od značajnih pokušaja interpretacije Zemljine

evolucije i nastanka Zemljinih struktura. Isto tako, ova teorija je bila prihvaćena od strane

većine geologa iz Rusije i regije (na prvom mjestu, iz bivše Jugoslavije) gotovo do samog kraja

20.-tog stoljeća! Mnogi geološki udžbenici koji su i danas u upotrebi na fakultetima ovih

prostora tretiraju ovu teoriju kao vrijedeću (ili jednu od vrijedećih)! Prezentiranjem teorije

6

tektonike ploča, odnosno iznošenjem dokaza koji potvrđuju tu teoriju, geosinklinalna teorija

gubi na smislu i ovdje je prikazana samo sa povijesnog aspekta.

Geosinklinale predstavljaju linearne, izuzetno mobilne depresije na dnu oceana

(znači, prekrivene su morskom vodom). Za njih je karakteristična izuzetno intenzivna

vulkanska i trusna aktivnost, kao i visok stupanj sedimentacije (debljina sedimenata u

geosinklinalama iznosi od 10 do 20 km). Prvobitna faza razvoja geosinklinala je faza tonjenja,

koja je popraćena intenzivnom sedimentacijom (otuda ovolika debljina sedimenata). Nakon

ovoga dolazi faze izdizanja, što rezultira formiranjem planinskih vijenaca. Svaka geosinklinala

se sastoji od eugeoinklinale i miogeosinklinale (slika 1).

Slika 1. Shema geosinkinale (miogesinklinala i eugeosinklinala)(URL 1)

Slika 2. Shematski prikaz navlake. Erodirani dio navlake se naziva tektonski prozor, dok

se preostali, izolirani dio navlake naziva tektonska klipa. (URL 2)

7

Kao što se vidi iz opisanog, teorija geosinklinala ne predviđa horizontalne pokrete u

Zemljinoj kori. Naime, ovo je ustanovilo prilično „ekstreman“ pravac u geologiji koji je

smatrao da horizontalna kretanja ne postoje, već se dijelovi Zemljine kore mogu kretati

samo vertikalno (mogu se izdizati ili spuštati). Nešto kasnije, ovaj pokret je doživio svoju

modifikaciju, tj. javilo se mišljenje da postoje i horizontalna kretanja (tzv. navlačenja), ali ne i

na globalnom nivou (slika 2). Znači, i ova grupa je smatrala da se kretanje kontinenata ne

može uzeti ako znanstveno dokazivo (Kay 1951).

2.3 Hipoteza kontinentalnog drifta – Wegenerove observacije

Početkom 20.-tog stoljeća njemački meteorolog Alfred Wegener iznosi vrlo interesantnu

hipotezu koja je uzburkala znanstvenu javnost. Radi se o hipotezi „kontinentalnog drifta“

(continetal drift) koja tvrdi da su jednom, u geološkoj prošlosti, svi kontinenti bili spojeni u

super-kontinent koji Wegener naziva Pangea (grč. „sve zemlje“). Od određenog trenutka

Zemljine prošlosti Pagea počinje da se „raspada“ na manje blokove koji se odmiču jedan od

drugog. Wegener je te 1912. godine imao vrlo uvjerljive i logične dokaze, ali ne i znanstveno-

dovoljne da dovedu do prihvaćanja ove teorije od strane znanstvene zajednice. Wegenerove

opservacije (‘dokazi’) u korist hipoteze „kontinentalnog drifta“ izneseni su u slijedećim

podpoglavljima.

2.3.1 Obodi kontinenta se međusobno poklapaju

Prilikom opservacije obala Južne Amerike i Afrike jasno je da njihove obale skoro savršeno

odgovaraju jedna drugoj (slika 3).

2.3.2 Vrste stijena na obodima današnjih kontinenata

Na obodima današnjih kontinenata Južne Amerike i Afrike nalazimo stijene istih

karakteristika. Ovo može poslužiti kao dokaz da su nekada ova dva kontinenta bila spojena.

Dakle, na jedinstvenom kontinentu vladali su identični geološki uvjeti. Međutim, u

Wegenerovo vrijeme je bilo vrlo teško izvršiti starosnu analogiju između tih identičnih vrsta

stijena. Drugim riječima, bilo je evidentno da se radi o istim vrstama stijena, ali je bilo teško

dokazati da su te geološke formacije nastale u isto vrijeme. Danas je to moguće

sofisticiranim tehnologijama apsolutnog datiranja. Ove metode i tehnologije nam govore da

na obalama Južne Amerike i Afrike stijene određene starosti imaju iste karakteristike. Ovo

8

nam (danas i znanstveno dokazano) ukazuje da su Južna Amerika i Afrika nekada bile

spojene!

2.3.3 Kontinuitet i sličnost geoloških struktura

Geološke strukture određene starosti (kao što su planinski lanci) pokazuju kontinuitet. Ovo

znači da ako spojimo Američki i Euroazijski kontinent vidimo nastavljanje Apalačkih planina iz

SAD-a i Kanade u Kalenoide u Irskoj, Engleskoj, Grenlandu i Skandinaviji. Ovo ukazuje da je u

vrijeme stvaranja ovih planinskih lanaca postojao jedinstveni kontinent!

Slika 3. Preklapanje obala Južne Amerike i Afrike; ovo je jedan od Wegenorovih dokaza

da su nekada ova dva kontinenta bili spojeni (URL 3)

2.3.4 Fosilni dokazi

Kao jedan od dokaza svoje hipoteze Wegener je uzeo u obzir i fosilne ostatke. Naime, na

obalama danas udaljenih kontinenata nalazimo iste fosilne vrste (slika 4.). Tako je paprat

Glossopteris nađena u Africi, Indiji, Australiji i Južnoj Americi. Pošto je (uzimajući u obzir

dimenzije i težinu ovih biljaka) nemoguće da su one bile transportirane vodom ili vjetrom

preko Atlantika, zaključeno je da su ovi kontinenti u geološkoj prošlosti morali biti spojeni.

Isto tako, navodi se dokaz reptila Mesosaurusa čiji su fosilni ostaci nađeni u Brazilu i Južnoj

9

Africi. Radilo se o malom reptilu koji je bio vrlo slab plivač što odbacuje mogućnost da je

mogao preplivati Atlanski ocean.

Slika 4. Slika prikazuje fosilne ostatke reptila Mesosaurusa koje nalazimo na obalama

danas udaljenih kontinenata, ovo je vrlo bitan element Wegenerove hipoteze (URL 4)

2.3.5 Klimatske karakteristike

Poznato je u različitim klimatskim pojasevima danas žive različite grupe biljnih i životinjskih

organizama. Tako je bilo i u geološkoj prošlosti. Paprat Glossopteris, čiji se fosili nalaze na

oblama Južne Amerike i Afrike, raste u klimi koja je znatno hladnija od one koju imaju ovi

kontinenti danas. Ovo je jedan od dokaza da su se ovi kontinenti nalazili znatno južnije od

njihove današnje pozicije (nalazili su se bliže južnom polu).

Također, pronalazak ugljena na Antartici dokazuje da se ovaj kontinent nekada u geološkoj

prošlosti nalazio znatno bliže ekvatoru, s obzirom da ugljen nastaje u (sub)tropskoj klimi.

10

290 miliona godina stari ledenički sedimenti nađeni u Africi, Indiji, Australiji i Južnoj Americi

ukazuju da su ovi prostori tokom ovog vremenskog perioda bili prekriveni sa ledenim

pokrivačem, sličnim onim koji nalazimo na Antartici danas (slika 5). Ovo dokazuje da su se

nekada ovi kontinenti nalazili znatno južnije, tj blizu Južnog pola. Sličnost ledeničkih

sedimenata i kinematski indikatori pravca i smjera kretanja lednika ukazuje da su oni

kontinenti nekada u geološkoj prošlosti bili spojeni.

Slika. 5. Slika prikazuje poziciju ostataka glečerskih oblika u današnjim znatno toplijim

područjima. Ovo je dokaz da su nekada ova područja bila znatno južnije (URL 5)

Ali i nakon iznošenja ove hipoteze mnogi znanstvenici nisu do kraja bili uvjereni u njenu

“znanstvenu-ispravnost”. Naime, kao osnovni problem je navođen mehanizam, odnosno

uzročnik pokretanja tako velikih kontinentalnih blokova na tako velike udaljenosti (slika 6).

Kao jedno od objašnjenja Wegener je navodio rotaciju Zemlje, ali većina fizičara je to

odbacivala kao mogućnost. Također, vrlo je neobjašnjivo u to vrijeme bilo kretanje

kontinentalnih entiteta i njihovo smicanje po Zemljinom plaštu. Naime, smatralo se da je

11

plašt bio čvrstog agregatnog stanja. Znanstvenici su se pitali kako je moguće da se kontinenti

kreću preko drugog čvrstog tijela pri tome savladavajući ogromne sile trenja (Morre, Twiss

1995).

Slika 6. Rekonstrukcija evolucije nastanka kontinenata od jedinstvenog kontinenata

Pangee (URL 6)

2.4 Od hipoteza u susret teoriji

Kartiranjem oceanskog dna, odnosno otkrićem i interpretacijom paleomagnetizma Zemlje

dobiveni su dokazi koji su bili potrebni da se Wegenerova hipoteza prihvati od strane

znanstvene zajednice. Nakon toga, Wegenrova hipoteza postaje teorija! Nažalost, ovaj

njemački znanstvenik je preminuo tokom ekspedicije na Grenlandu, 1930. godine i nije

doživio svu slavu. Ključan moment su bile 50.-te godine prošlog stoljeća kada je tadašnja

tehnologija omogućila mjerenje paleomagnetizma stijena.

12

2.4.1 Paleomagnetizam?

Paleomagnetne tehnike predstavljaju analizu magnetnih svojstava stijene (ili bilo koje čvrste

materije), očuvanih u mineralima te stijene tokom geološke prošlosti. Naime, pojedini

minerali imaju sposobnost da „memoriraju“ orijentaciju Zemljinog magnetnog polja. Tokom

hlađenja magme pojedini minerali se postavljaju u pravcu linija sila Zemljinog magnetnog

polja (paralelno sa njima). Minerali, slično kao i magnetna igla na kompasu, imaju tendenciju

da tonu ka sjevernom magnetnom polu Zemlje. Na ovaj način možemo da rekonstruiramo

poziciju sjevernog magnetnog pola tokom geološke prošlosti, tj. u trenutku kada se formirala

konkretna stijena.

2.4.2 Što se kreće: magnetni pol Zemlje ili kontinenti?

Ako postavimo na kartu rezultate paleomagnetnih istraživanja stijena različite starosti,

vidimo da se pozicija sjevernog magnetnog pola mijenjala kroz geološku prošlost (slika 7).

Ovo mogu značiti dvije stvari: ili se sjeverni magnetni pol Zemlje pomicao tokom geološke

prošlosti ili su se kontinenti kretali. Pošto je fizički gotovo nemoguće pretpostaviti ovoliko

kretanje magnetnog pola Zemlje, znanstvenici tog vremena su zaključili da se ovdje radi o

kretanju kontinenta. Očigledno je da se na taj način kreću i stijene tog kontinenta sa

„memoriranom“ pozicijom nekadašnjeg Zemljinog magnetnog pola.

Slika 7. Lokacije sjevernog Zemljinog magnetnog pola tokom geološke prošlosti (URL 7)

To je koncept paleomagnetizma.

13

2.4.3 Paleomagnetizam i seafloor spreading

Početkom 60.-tih godina prošlog stoljeća mjerenjem paleomagnetnih svojstava Atlantske

oceanske kore, oceanografi su zapazili da postoje „trake“ (porcije) dijelova oceanske kore sa

određenom vrstom magnetiziranja. Naime, pojedine trake pokazivale su „normalno“

magnetiziranje (isto kao današnje magnetno polje), dok su trake koje su susjedne u odnosu

na njih pokazivale „reversno“ magnetiziranje (invertiran današnji sjeverni i južni magnetni

pol). Znači, idući od srednjooceanskog grebena ka obali kontinenta smjenjuju su se trake

normalnog magnetiziranja, sa onim reversnog magnetiziranja, pa zatim slijede one

normalnog, pa nakon toga reversnog i tako dalje, sukcesivno…. Treba znati da svakih pola

miliona godina (aproksimacija) dolazi do inverzije Zemljinog magnetnog polja (sjeverni

magnetni pol postaje južni i obrnuto) (slika 8) i da se baš ta promjena savršeno ogleda u

stijenama na oceanskom dnu (u gore-spomenutim trakama).

Slika 8. Inverzija Zemljinog magnetnog polja (URL 8)

Dakle, svaka od ovih porcija stijena, prilikom svog kristaliziranja, pamti tada aktualno

Zemljino magnetno polje. Ove trake su dugačke nekoliko stotina kilometara. Još jedna jako

bitna karakteristika ovih traka je da su one simetričnog magnetiziranja sa jedne i druge

strane srednjooceanskog Atlantskog grebena. Hipotetički, da možemo da preklopimo

Atlantski ocean na sredini (duž Atlantskog srednjooceanskog grebena) svaka od traka sa

lijeve strane grebena bi se preklopila sa svojim parom sa desne strane grebena (slika 9).

14

Zaključak koji je donesen iz ovog istraživanja bio je revolucionaran ne samo u domenu

oceanografije, već i geologije i znanosti, uopće. Naime, zaključeno je da se stijene „kreću“ od

Atlantskog srednjooceanskog grebena. Lučenjem novih stijena duž srednjooceanskog

grebena potiskuju se one prethodno izlučene i tako sukcesivno…. Znači, starost stijena

oceanske kore raste udaljavajući se od srednjooceanskog grebena (kao mjesta stvaranja

nove oceanske kore) (slika 9).

Slika 9. Stijene oceanske kore sa „zapamćenim“ tipom magnetnog polja Zemlje

(normalnim ili invertnim). Najmlađe stijene su bliže srednjooceanskom grebenu (URL 9)

Ovo je dokaz oceanskog spredinga (seafloor spreading), odnosno na koji način se stvaraju

oceani. Stvaranjem novih oceanskih stijena dolazi do širenja oceanske kore, što samim tim

dovodi do razmicanja (kretanja) kontinenata jednog od drugog (primjer Atlantika). Upravo

ovaj dokaz je bio presudan da Wegenerova hipoteza o kontinentalnom driftu bude

prihvaćena od većine znanstvene zajednice (Morre, Twiss 1995).

15

3. Građa Zemlje

Sada će biti iznesene samo one karakteristike koje su bitne za osnovno razumijevanje teorije

tektonike ploča. Zemlja ima lupinastu građu i dijeli se na četiri dijela: atmosfera, hidrosfera,

biosfera i geosfera (slika 10) (Bašić, Rezo, Markovinović 2011).

Slika 10. Zemljina lupinasta slojevita građa (Bašić, Rezo, Markovinović 2011)

Geosfera se dijeli na tri glavna dijela: kora, plašt i jezgra (slika 11).

Slika 11. Podjela geosfere (Bašić, Rezo, Markovinović 2011)

16

Takav raspored određen je na osnovu promatranja brzine seizmičkih valova, istraživanjem

bušotina u kontinentalnoj kori, ispitivanjem plašenih i krustalnih ksenolita u vulkanskim

stijenama, HP/HT eksperimentalnom minerologijom/petrologijom, te istraživanjem

meteorita i usporedbom s građom i učestalosti vrsta.

3.1 Zemljina kora

Vanjski dio Zemlje je Zemljina kora (slika 12). Ona može biti oceanska ili kontinentalna.

Kontinentalna kora je debela prosječno 30 km, a varira od 20 do 70 km, te izgrađena je

pretežito od granita. Oceanska kora je gušća (teža) od kontinentalne, debela je od 4 do 7

kilometara i pretežito je izgrađena od bazaltnih stijena i gušća je od kontinentalne (Bašić,

Rezo, Markovinović 2011).

Slika 12. Zemljina kora (Bašić, Rezo, Markovinović 2011)

3.2 Zemljin plašt

Ispod Zemljine kore nalazi se mantl ili Zemljin plašt koji ima drugačija svojstava od kore. Plašt

je debela ljuska sastavljena od gustih stijena, koja okružuju vanjsku tekuću jezgru, a nalazi se

direktno ispod relativno tanke Zemljine kore i zauzima 70% Zemljinog volumena. Granica

između kore i plašta naziva se Mohorovičićev diskontinuitet, skraćeno „moho“. Moho je

granica na kojoj se brzina seizmičkih valova iznenada mijenja i varira od 5-80 km. Plašt se

dijeli na vanjski i unutarnji (Bašić, Rezo, Markovinović 2011).

17

3.2.1 Vanjski plašt

Gornji dio vanjskog plašta i Zemljina kora čine litosferu, ovo je čvrsta sfera Zemljine planete,

debela od 75-125 km. Donji dio vanjskog plašta, neposredno ispod litosfere naziva

se astenosfera, te je područje od 100 do 200 km i ona relativno je u “tečnijem” stanju od

litosfere (slika 13). Nalazi na dubinama na kojima su temperature blizu onih na kojima se

stijenski materijal topi. U tom dijelu plašta događa se konvekcijsko naprezanje koje je glavni

uzrok tektonskih naprezanja i ostalih pojava direktno uzrokovanih tektonikom litosfernih

ploča. Ostatak vanjskog plašta je u krutom stanju zbog visokog tlaka (Bašić, Rezo,

Markovinović 2011).

Slika 13.Vanjski plašt (Bašić, Rezo, Markovinović 2011)

3.2.2 Unutarnji plašt

Unutarnji plašt se proteže od 660 do 2900 km (Bašić, Rezo, Markovinović 2011).

18

3.3 Zemljina jezgra

Jezgra je središnji dio Zemljine unutrašnjosti koja je izgrađena od tekućeg vanjskog i čvrstog

unutarnjeg dijela (slika 14). Na osnovi magnetizma i astronomskih podataka (meteorita)

zaključilo se da je jezgra metalna i to najvećim dijelom željezna dok su nikal i nemetali kisik,

silicij i sumpor neznatno prisutni (Bašić, Rezo, Markovinović 2011).

Slika 14. Zemljina jezgra (Bašić, Rezo, Markovinović 2011)

3.3.1 Vanjska jezgra

Vanjska jezgra nalazi se u tekućem stanju i proteže se od 2900 do 5030 km.

3.3.2 Unutarnja jezgra

Unutarnja jezgra nalazi se u čvrstom stanju i proteže se od 5030 km u unutrašnjost .

19

3.4 Diskontinuiteti

Diskontinuiteti su skokovite promjene brzine širenja reflektiranih valova (slika 15). Postoji ih

puno, ali tu će se navesti važniji:

Mohorovičićev - MOHO (ubrzanje od 5,5 na 8,2 km/sec), granica: kora – plašt, Wiechert-Gutenbergov (naglo usporenje) na oko 2900 km, granica: plašt- vanjska

jezgra, Diskontinuitet (ubrzanje) na oko 5080 km, granica: vanjska jezgra - unutarnja jezgra

(Lugović 2009).

Slika 15. Diskontinuiteti otkriveni seizmičkim istraživanjima (Lugović 2009)

20

4. Zemljine litosferne ploče

Ispod Zemljine kore nalazi se Zemljin omotač koji ima drugačija svojstava od kore. Gornji dio

omotača i Zemljina kora čine litosferu; ovo je čvrsta sfera Zemljine planete, debela oko 100

km. Gornji dio omotača, neposredno ispod litosfere naziva se astenosfera; ona je relativno u

“tečnijem” stanju od litosfere jer se nalazi na dubinama na kojima su temperature blizu onih

na kojima se stijeski materijal topi. Ova podjela dijelova Zemljine unutrašnjosti u litosferu i

astenosferu zasnovana je na njihovim mehaničkim razlikama i načinu prenošenja topline.

Litosfera je hladnija i kruća, dok je astenosfera toplija i mehanički slabija. Također, litosfera

gubi toplinu kondukcijom, a astenosfera prenosi toplinu konvekcijom i ima gotovo

adijabatski temeperaturni gradijent. Svi procesi koji se dešavaju na granicama litosfernih

ploča posljedica su aktivnog djelovanja astenosfere, dok same litosferne ploče imaju pasivnu

ulogu.

Zemljina litosfera nije jedinstvena ploča, već je podijeljena u nekoliko manjih, čvrstih ploča.

Danas postoji 12 većih ploča i veći broj manjih. Sve ploče se nalaze u stanju izostazije, tj

„plutanja“ na relativno tečnijoj astenosferi. Astenosfera svojim strujanjima uzrokuje kretanje

litosfernih ploča. Zbog svog kretanja, ploče interagiraju jedna sa drugom, odnosno sudaraju

se, udaljavaju se jedna od druge ili se smiču jedna pored druge. Teorija tektonike ploča

upravo tretira kretanje ploča i njihovu međusobnu interakciju. Vulkani, potresi, mlađi

planinski lanci nalaze se u uskim područjima na granicama ploča. Ploče su oko 100 km debele

i sastoje se od litosferskog plašta prekrivenog s jednim od dva tipa kore: oceanskom korom

(zastarjeli naziv je sima) ili kontinentalnom korom (zastarjeli naziv je sial). Ta se dva tipa kore

razlikuju u debljini - kontinentalna je kora znatno deblja od oceanske (50 km naspram 5 km).

Ploče se susreću duž granica ploča, koje su obično povezane s geološkim događajima poput

potresa i stvaranja topoloških oblika kao što su planine, vulkani i oceanski jarci. Većina

aktivnih vulkana javlja se na granicama ploča, s Pacifičkim vatrenim prstenom kao

najaktivnijim i najpoznatijim.

Tektonske ploče mogu uključivati kontinentalnu ili oceansku koru, ali tipično jedna ploča

sadrži obje. Npr. Afrička ploča uključuje i kontinent i dijelove Atlantskog i Indijskog oceana.

Razlika između kontinentalne i oceanske kore zasnovana je na gustoći minerala koji ih

21

izgrađuju - oceanska je kora gušća od kontinentalne zbog različitih udjela raznih elemenata,

napose silicija. Oceanska kora (mafična) je gušća jer ima manje silicija i više teških elemenata

od kontinentalne kore (felsične). Rezultat toga je da oceanska kora leži ispod razine mora

(npr. većina Pacifičke ploče), dok je kontinentalna kora izbačena iznad razine mora (zbog

principa izostazije).

Najvažnije ploče su:

Afrička ploča , pokriva Afriku - kontinentalna ploča

Antarktička ploča , pokriva Antarktiku - kontinentalna ploča

Indo-australska ploča , pokriva Australiju te Indiju - kontinentalna ploča

Euroazijska ploča pokriva Aziju i Europu - kontinentalna ploča

Sjevernoamerička ploča pokriva Sjevernu Ameriku i sjevero-istočni Sibir -

kontinentalna ploča

Južnoamerička ploča pokriva Južnu Ameriku - kontinentalna ploča

Pacifička ploča , pokriva Pacifički ocean – oceanska ploča.

Značajne manje ploče uključuju Arabijsku ploču, Karipsku ploču, Juan de Fuca ploču,

Nazca ploču, Filipinsku ploču i Scotia ploču.

Repubilka Hrvatska se nalazi na Euroazijskoj ploči. Euroazijska ploča je litosferna ploča

koja obuhvaća Euroaziju (kontinentalnu masu koja se sastoji od Europe i Azije, bez Indijskog

potkontinenta, Arabijskog potkontinenta i područja istočno od lanca Verkojansk u istočnome

Sibiru). Na zapadu se proteže sve do Srednjeatlantskog hrpta. Ponekad se koristi naziv

Europska ploča za područje zapadno od Urala. Na istočnoj strani je granica sa

Sjevernoameričkom pločom na sjeveru te s Filipinskom pločom na jugu. Južna strana graniči

s Afričkom pločom na zapadu, s Arabijskom pločom u sredini te s Indo-australskom pločom

na istoku. Zapadna strana je divergentna granica sa Sjevernoameričkom pločom, a čini

sjeverni dio Srednjeatlantskog hrpta. Treća je tektonska ploča po veličini.

22

Slika 16: Zemljine litosferne ploče (URL 10)

4.1 Tipovi granica ploča

Postoje tri tipa granica ploča, karakteriziranih načinom na koji se ploče pomiču relativno

jedna prema drugoj, a povezane su s različitim površinskim fenomenima. To su:

Transformne granice, koje se javljaju na mjestu gdje ploče klize jedna pokraj druge duž

transformnog rasjeda. Relativno pomicanje dviju ploča je ili sinistralno (na lijevo u

susret promatraču) ili dekstralno (na desno u susret promatraču).

Divergentne granice se javljaju na mjestu gdje se dvije ploče odmiču jedna od druge (to

su srednjeoceanski hrpti i aktivne zone cijepanja kao što je Istočnoafrička brazda).

Konvergentne granice (ili aktivni rubovi) se javljaju na mjestu gdje se dvije ploče

pomiču jedna prema drugoj obično tvoreći zonu subdukcije (ako jedna ploča tone pod

drugu) ili kontinentalne kolizije (ako obje ploče sadrže kontinentalnu koru).

Dubokomorski su jarci tipični za zone subdukcije. Zbog trenja i zagrijavanja subducirane

ploče, gotovo su uvijek povezane s vulkanizmom. Najbolji su primjeri za ove procese

Ande u Južnoj Americi i japanski otočni luk.

23

4.1.1 Transformne (konzervativne) granice

Zbog trenja ploče ne mogu jednostavno kliziti jedna pokraj druge. Točnije, pritisak se

nakuplja u obje ploče sve dok ne dosegne stupanj prekoračenja praga deformacije stijena,

kada se akumulirana potencijalna energija oslobađa u vidu deformacije na obje strane rasjeda.

Deformacija je akumulativna i trenutna, i ovisi o geologiji stijene - rastezljiva donja kora i plašt

akumuliraju deformaciju postupno putem posmicanja, pri čemu krhka gornja kora reagira

lomljenjem ili trenutnim otpuštanjem pritiska, koje izaziva kretanje duž rasjeda. Rastezljiva

površina rasjeda može također otpustiti pritisak kada je stupanj deformacije prevelik.

Energija otpuštena trenutnim pritiskom je uzrok potresa, učestalog fenomena duž

transformnih granica.

Dobar primjer ovog tipa granice ploča jest rasjed San Andreas, koji se nalazi na zapadnoj obali

Sjeverne Amerike i dio je izuzetno složenog sustava rasjeda tom području. Na ovoj se lokaciji

Pacifička i Sjevernoamerička ploča pomiču jedna prema drugoj na način da se Pacifička ploča

pomiče prema sjeverozapadu u odnosu na Sjevernoameričku. Drugi primjeri transformnih

rasjeda uključuju Alpski rasjed na Novom Zelandu, te Sjevernoanatolijski rasjed u Turskoj.

Transformni rasjedi se nalaze i kao izdanci na krijestama srednjeoceanskog hrpta.

Slika 17: Transformni tip granice (URL 11)

24

4.1.2 Divergentne (konstruktivne) granice

Na divergentnim se granicama dvije ploče razmiču i na taj način stvaraju prostor koji se puni

novim materijalom kore, koji potječe od magme nakupljene ispod. Porijeklo je nove

divergentne granice na trostrukom čvoru, za kojeg se misli da je povezan s fenomenom

poznatim kao vruće točke. To su mjesta na kojima neizmjerno velike konvekcijske ćelije

donose jako velike količine vrućeg astenosferskog materijala blizu površine, pa se stoga

smatra da je kinetička energija na tim mjestima dovoljna za razlamanje litosfere. Vruća točka

koja je potaknula stvaranje sustava Srednjeatlantskog hrpta trenutno se nalazi ispod Islanda

koji se proširuje brzinom od nekoliko centimetara po stoljeću.

Divergentne granice su predstavljene u oceanskoj litosferi sustavom oceanskih hrptova, kao što su

Srednjeatlantski hrbat i Istočnopacifičko uzvišenje, a u kontinentalnoj litosferi dolinama brazdanja

kao što je poznata Istočnoafrička brazda. Divergentne granice mogu stvoriti masivne zone rasjedanja

u sustavu srednjeoceanskog hrpta. Općenito, širenje nije uniformno pa se masivni transformni rasjedi

pojavljuju tamo gdje se razlikuju brzine širenja susjednih blokova stijena. To su pukotinske zone i

glavni su izvor podmorskih potresa. Karte morskog dna pokazuju vrlo čudan obrazac blokovitih

struktura koje su odijeljene linearnim elementima okomitim na os hrpta. Ovaj proces postaje jasniji

ako promatramo morsko dno između pukotinskih zona kao pokretnu traku koja odnosi hrbat od

središta širenja na svakoj strani jaruge. Krijesta starijih hrptova, paralelna trenutnom centru širenja,

bit će starija i dublja (zbog termalne kontrakcije i tonjenja).

Upravo je na srednjeoceanskim hrptovima nađen jedan od ključnih principa koji je uzrokovao

prihvaćanje hipoteze širenja morskog dna. Zračna geomagnetna istraživanja pokazala su neobičan

uzorak simetričnih pruga promjena magnetnog polariteta na suprotnim stranama osi hrpta. Uzorak je

bio previše pravilan da bi ga se moglo smatrati slučajnim jer su se širine nasuprotnih traka previše

dobro poklapale. Znanstvenici su proučavali polarne obrate i napravili poveznicu. Magnetne su se

trake direktno poklapale sa Zemljinim polarnim obratima, što je potvrđeno mjerenjem starosti stijena

u svakoj traci. Te nam trake pružaju kartu u vremenu i prostoru pomoću kojih se mogu odrediti i

brzina širenja i polarni obrati.

25

Slika 18: Divergentni tip granice (mjesto razdvajanja ploča) (URL 11)

4.1.3 Konvergentne (destruktivne) granice

Priroda konvergentnih granica ovisi o tipu litosfere ploča koje se sudaraju. Na mjestu gdje se

gusta oceanska ploča sudara s manje gustom kontinentalnom pločom, oceanska se ploča u

pravilu podvlači zbog većeg uzgona kontinentalne litosfere, oblikujući zonu subdukcije. Na

površini, topografski je izražaj obično oceanski jarak na oceanskoj strani i planinski lanac na

kontinentalnoj strani. Primjer zone subdukcije ocean-kontinent je područje duž zapadne

obale Južne Amerike gdje se oceanska Nazca ploča subducira pod kontinentalnu

Južnoameričku ploču.

Dok je proces neposredno povezan sa stvaranjem taline iznad tonuće ploče, zbog čega dolazi

do površinskog vulkanizma, još uvijek predmet rasprava u geološkoj zajednici, općeprihvaćeni

konsenzus istraživanja koja su u toku ukazuje na to da glavni doprinos daju volatili. Kako

ploča koja se subducira tone, njena temperatura raste zbog čega otpušta volatile (od kojih je

26

najvažnija voda) zarobljene u poroznoj oceanskoj kori. Voda se izdiže u plašt naliježuće ploče,

smanjuje temperaturu tališta okolnih stijena te proizvodi talinu (magmu) s velikim

količinama otopljenog plina. Ova se talina uzdiže do površine i izvor je nekih od

najeksplozivnijih vulkana na Zemlji zbog velikog obujma ekstremno stlačenih plinova (npr. Etna,

Vezuv). Na ovaj se način oblikuju dugi vulkanski lanci u unutrašnjosti kontinentalnog šelfa i

paralelno njemu. Kontinentalna kralješnica Južne Amerike obiluje ovim tipom vulkanskog

izdizanja planina zbog subdukcije Nazca ploče. U Sjevernoj je Americi planinski lanac

Cascade, koji se proteže južno od Sierra Nevade u Kaliforniji, također ovog tipa. Cijelim rubom

Pacifičkog oceana protežu se vulkani pa je poznat pod nazivom Pacifički vatreni prsten.

Na mjestima gdje se dvije kontinentalne ploče sudaraju, ploče se ili ispupčuju i zbijaju, ili se

jedna ploča potkopava ispod ili (u nekim slučajevima) prelazi preko druge. Svako će od tih

djelovanja stvoriti prostrane planinske lance. Najdramatičniji se rezultat tih procesa može

vidjeti na mjestu gdje se sjeverni rub Indijske ploče podvlači pod dio Euroazijske ploče

izdižući ga te stvarajući Himalaju i Tibetski plato straga. To je također uzrok deformacije

Azijskog kontinenta prema zapadu i prema istoku na svakoj strani kolizije.

Kada se dvije oceanske ploče primiču jedna prema drugoj, obično stvaraju otočni luk kako se

jedna ploča subducira pod drugu. Luk je formiran vulkanima koji eruptiraju kroz naliježeću

ploču kako se ispod nje tali tonuća ploča. Lučni se oblik pojavljuje zbog sferične površine

Zemlje (kada nožem zarežemo koru naranče, može se uočiti luk koji je napravljen ravnim

rubom noža). Odličan bi primjer za ovaj tip konvergencije ploča bili Japan i Aleuti na Aljasci.

Slika 19: Konvergentni tip granice (mjesto podvlačenja ploča) (URL 11)

27

5. Uvod u konvekcijsko naprezanje

Energija generirana konvekcijom u plaštu disipira se u plaštu i kori. Termodinamika ne

specificira kako je disipacija distribuirana, ali promatranje gibanja ploča daju dobar uvid u

brzinu konvekcije i koristeći tu činjenicu , možemo procijeniti naprezanja. Činjenica da su

konvekcijska naprezanja, dobivena ovim računom, usporediva sa naprezanjima koja se

pojavljuju u zonama subdukcije potresa potvrđuje da su konvekcijska naprezanja odgovorna

za potrese i da su potresi lokalizirane iregularnosti u velikom broju uzorkovani konvekcijom.

Stoga, distribucija potresa je direktna indikacija tog uzorka. Štoviše, usporedba sa

gravitacijskom energijom otpuštenom od podilazećih ploča pokazuje da one pružaju

pokretačku silu konvekcije.

Slučaj se može poopćiti kako je Loper (1985) iskazao u diskusiji o principima konvekcije

plašta. Pokretačka snaga mora dolaziti iz potiska (pozitivnog ili negativnog) generiranog na

rubovima ploča. Možemo naglasiti tu točku zamišljajući aproksimaciju plašta, kao realni

model, sa adijabatskim temperaturnim koeficijentom i uniformnom distribucijom izvora

topline (radioaktivnost), ali pretpostavljajući pritom da je termalno izoliran od okoline, tako

da se temperatura podiže uniformno. Dovoljno je velik da bi termalna kondukcija bila

neefikasna u izjednačavanju temperature. Kako se temperatura podiže, temperaturni

gradijent postaje subadijabatski (sprječava konvekciju), jer je adijabatski gradijent

proporcionalan apsolutnoj temperaturi i da bi ostao adijabatski, sve temperature bi se

trebale podizat proporcionalno, a ne uniformno. Unutarnja toplina sama po sebi ne uzrokuje

konvekciju, ona usporava konvekciju, a samo hlađenje na površini generira potreban uzgon.

Naravno, zagrijavanje na donjoj granici plašta (uz jezgru) ima isti efekt, ali ako se osvrnemo

na heterogenost unutarnjih izvora, tada bi materijali bogati radioaktivnošću imali tendenciju

podizanja, i ako se ne bi miješali, ostali bi pri vrhu. Iz tog razloga bi svaka konvekcija

pokretana unutarnjim izvorima, bez reference prema površinskom hlađenju, završila rano u

Zemljinom životnom vijeku.

Zaključak da je subdukcija ohlađenih litosfernih ploča esencijalni pokretački mehanizam

konvekcije donosi i zaključak da su subdukcijeske zone također mjesto gdje je disipacija

koncentrirana. Iako je ova tvrdnja istinita, nema poklapanja 1:1 između izvora i ponora

konvekcijske energije. Subdukcija se ne događa u izolaciji, već je dio konvekcijskog ciklusa sa

28

kretnjom širom plašta i kore. Naprezanja i disipacija energije se događaju kada god postoji

deformacija materijala i posljedična naprezanja se prostiru na područja gdje nema očitih

deformacija. Opažanja naprezanja kore, kombinirana sa topografijom, izostatskom

ravnotežom ili disbalansom i geološke značajke indikativne za deformaciju, sve pridonose

globalnoj slici dinamičkog sustava.

Naša diskusija o mehanizmu tektonskih ploča podrazumijeva da je pokretana isključivo na

gubitku topline sa tijela plašta. Konvekcijske „perjanice“ pokretane toplinom jezgre

geometrijski su veoma različiti od konvekcije pokretane kretnjom ploča i djeluju neovisno o

njima. Doduše, perjanice djeluju na kretanje litosfernih ploča. Pridonose potiskivanju brazde,

primjerice na Islandu, i vjerojatno pomažu inicijaciji novih centara širenja, kao npr. Istočna

Afrika. Da bi došla do površine, toplina jezgre mora proći cijelu dubinu plašta, dajući

perjanicama visoku termodinamičku efikasnost (39%).

Naprezanja litosfere potrebna su da bi se podržala topografija. U poglavlju 9 proučava se

opterećenje Zemljine površine na velikoj površini, pomoću slojeva leda, koji uzrokuju

relaksaciju u plaštu prema izostatskoj ravnoteži. Relaksacija je brza uspoređujući sa

geološkim procesima, jer je deformacija materijala jako mala. Slično, topografija sa mjerama

većim od nekoliko stotina kilometara su u izostatskoj ravnoteži. No, pri kraćim

udaljenostima, opterećenja su podržana elastičnim savijanjem litosfere, što indicira

sposobnost litosfere da zadrži elastično naprezanje kroz geološko vrijeme i stoga mora imati

efektivnu viskoznost nekoliko redova veličine veću od plašta. Visoko plutajući litosferni blok,

kao naprimjer plato, ima unutarnja naprezanja koja bi ga raširila na nivo mora, da nema

elasticiteta koji ga drži. S druge strane, nisko plutajući blokovi su u kompresiji. Stanje

Naprezanja može se izračunati integriranjem po rubu sile, i superponirajući gravitacijsku silu.

Za interno homogeni tekući planet sa blokovima koji plutaju na površini, razlika u vertikalnim

i horizontalnim naprezanjima u blokovima je linearno povezana sa varijacijama u visinama

geoida. Regije pozitivnog geoida poklapaju se sa stanjem ekstenzije, a negativne sa

kompresijom. Zemlja je još složenija zbog interne heterogenosti i mogu se prepoznati

različita stanja naprezanja.

Velikim valnim duljinama odlike geoida pridodane su razlike gustoće donjeg plašta, i smatra

se da su ostaci prošlih subdukcija. Ti efekti se moraju oduzeti prije nego se svojstva geoida,

29

mogu povezati sa litosfernim strukturama. Svojstva geoida u srednjim valnim duljinama

mogu se interpretirati kroz topografske termine i razliku gustoće u izostatski balansiranom

litosferno-astenosfernom sistemu. Model geoida, sa oduzetim harmonijskim stupnjevima

šest i manjim (slika 20)., povezuje se sa detaljima u karti naprezanja (slika 21).

Slika 20. Geoid s oduzetim harmonijskim stupnjevima 6 i manjim (Stacey & Davis 2008)

Slika 21. Karta naprezanja u cijelom svijetu (Stacey & Davis 2008)

30

Regije visoke elevacije, platoi i planinski lanci, su u tenziji i poklapaju se sa pozitivnim

anomalijama filtriranim u geoidu. Najdramatičniji efekt filtriranja se vidi na platou u istočnoj

Africi, gdje je najveći kontinentalna pukotina. Bez harmonijskog filtriranja istočna Afrika je u

negativnom geoidu, ali sa oduzetim niskim harmonicima, pojavljuje se u visokom.

Topografija se tvori kroz neelastične procese, kao što su pregibi i potresi. Potresi se zbivaju

iznad zona subdukcije u materijalima koji se akumuliraju iznad subdukcijskih ploča, kao

takozvani „accretionary“ klinovi. Subdukcija djeluje kao otpremački lanac, nakupljajući

sedimentirani materijal koji djeluje kao kočnica. Materijal puca krto, te se prilagođava obliku

klina koji je kontroliran trenjem između puknutih površina sa unutarnjim pritiskom fluida.

Kut klina se naziva i kritični konus. To je modelirano po teoriji koja balansira gravitacijsku silu

i silu trenja koje se računaju u pogledu topografskog nagiba (Stacey, Davis 2008)..

5.1 Što pokreće Zemlju? – konvekcijsko strujanje astenosfere

Zemljina litosfera je podijeljena na manje ploče, ali glavno pitanje na koje teorija tektonike

ploča daje odgovor je – „što uzrokuje kretanje tih litosfernih ploča?“ Naime, zbog velikih

temperatura koje vladaju u Zemljinoj unutrašnjosti (oko 5000 °C u jezgri), dolazi do prijenosa

topline (energije) prema površini. Dio energije prenosi se procesima kondukcije.

Kondukcijsko hlađenje je prirodno hlađenje, pri kojem se toplinska energija prenosi kroz

slojeve dodirom slojeva, a ne prenošenjem vrućeg stijenskog materijala iz toplijeg u hladniji

dio tijela Zemlje. Međutim, ovaj proces je vrlo spor i ne pruža objašnjenje za neki od

fenomena koji se danas događaju na površini. Toplinska energija u plaštu i astenosferi

zagrijava, smanjuje gustoću i pokreće krute, ali elastične i gibljive (ne tekuće) stijenske mase.

Zbog visoke temperature i tlaka, elastične stijenske mase se gibaju prema površini, tj. Prema

litosferi, uzlaznim konvekcijskim silama. Dolaskom do litosfere, stijenske se mase paralelno

gibaju duž granica astenosfere s litosferom postepeno se hladeći. Ohlađene stijenske mase,

kojima je ponovo povećana gustoća, gravitacijskim privlačenjem tonu u dubinu plašta,

silaznim konvekcijskim strujama, da bi se njihovim ponovnim zagrijavanjem proces nastavio.

Konvcecijsko gibanje stijenskih masa astenosfere, ispod i paralelno a litosferom, prenosi se

na litosferu i rezultira gibanjem litosfernih ploča. Znači, vidimo da istopljeni stijenski

materijal pređe određen put od unutrašnjosti do površine i opet ka unutrašnjosti. Kompletna

31

petlja, tj. put od dna do vrha i opet do dna se naziva konvekcijska ćelija. Ovakav tip prijenosa

energije (topline) naziva se konvekcijsko.

Slika 22. Konvencijsko strujanje astenosferskog materijala (URL 12)

Slika 23: Smjer gibanja ploča (URL 13)

32

6. Konvekcijska energija, naprezanje i viskoznost plašta

Za cijeli plašt snaga iznosi 7,7 x1012 W. Izgleda čudno da je, od svog iznosa, samo 2,4x1012 W

distribuirana u donjem plaštu i 5,3x1012 W u gornjem plaštu. Razlog tome je što se toplina iz

donjeg plašt distribuira i prenosi preko ograničenja temperaturne granice, te sva toplina iz

donjeg plašta prolazi cijeli gornji plašt. Značenje ovih brojeva je da su ovo vrijednosti snage

koji se moraju koristiti pri deformaciji materijala plašta (i kore), a ne samo moć koja je

dostupan u načelu. Oni se moraju izjednačiti s integralima proizvodnje stresa (naprezanja) i

brzine deformacije kroz cijeli volumen plašta. Za gornji plašt imamo izravan dokaz

naprezanja

i brzine deformacije i možemo dokazati da je termodinamički izračunata energija dovoljna

da ih objasniti. Nije jasno što se događa u donjem plaštu, ali, kao što su ovi brojevi

pokazuju, energija po jedinici volumena je pet puta manja nego u gornjem plaštu. Iako ne

možemo zahtijevati da ce rasipanje biti distribuirano na isti način, neizbježno je da je

konvekcija snažnija u gornjem plaštu.

U izradi kvantitativne procjene odnosa između konvektivne energije i naprezanja, koristimo

detalje geometrije ploča i brzine iz opsežne obrade po Bird-u (2003). Dva su glavna procesa

odgovorna za gibanje ploča: stvaranje nove kore od magme koja izvire iz vulkanskih pukotina

na dnu oceana i podvlačenje jedne ploče ispod druge. Vruća novostvorena kora nastaje na

oceanskim grebenima, te zatim putuje po oceanskom dnu do ruba svoje ploče, do zone

podvlačenja, nakon čega ponire u omotač gdje se uništava. Ploča koja ponire otapa se u

omotaču i tako ga hladi .Stopa proizvodnje novih kora je 3,36 km2/godišnje, više od 90%

otpada na oceanske grebene, uz mali doprinos svojim proširenja na kontinentima.

Koncentrirajući se na 67 000 km od oceanskih širenja grebena, prosječna stopa širenja je

5,1 cm / god ili 2,5 cm / god (7,4x10 -10ms-1) u oba smjera od osi grebena. Uzimajući tu brzinu

kao prosječnu brzinu v na površini ploče preko temeljnog plašta, zatim da je ukupnu

površinu jednaka površini Zemlje (A=5,1x1014m2) možemo pisati viskoznu disipaciju kao:

Ep=fpE=Avσ (6.1)

33

gdje je fp konvektivna energija gornjeg plašta, zatim E=5.3x1012W, a σ koef. naprezanja

između ploče i plašta ispod. U fizici, disipacija predstavlja koncept dinamičkog sistema gdje

bitne mehaničke pojave, kao što su valovi ili oscilacije, gube energiju tokom vremena,

najčešće zbog djelovanja trenja ili turbulencije. Izgubljena energija se pretvara u toplinu,

podižući temperaturu sistemu. Takvi sistemi se nazivaju disipativni sistemi. Deformacija je

koncentrirana u sloju od najniže viskoznosti (astenosfere). Neka one imaju učinkovite

debljine H i viskoznosti η. Zatim brzina deformacije iznosi:

έ=v/H (6.2)

te viskoznost:

η =σ/ έ= σ H/v (6.3)

Viskoznost (unutarnje trenje) je osobina tekućina i plinova pružati otpor međusobnom

kretanju njihovih slojeva. Jače viskozna tvar djeluje ljepljivo i teško se prelijeva. Ulje ima veću

viskoznost od vode, ali je manje gustoće i pliva na vodi. Grijanjem ulje znatno gubi na

viskoznosti, dok se viskoznost vode smanjuje manje pri zagrijavanju. Viskoznost tvari opisuje

koeficijent viskoznosti η i mjeri se u paskal-sekundama (Pa /s).

Ako se sjetimo valova u moru, onda znamo da su najintenzivniji na površini a s porastom

dubine skoro pa nestaju. To je zbog vjetra koji površinu vode pomiče, većom brzinom na

površini koja postupno opada s porastom dubine vode.

Zamislimo si dvije ploče nekih površina, između kojih se nalazi fluid koji se zbog adhezivnih

sila i trenja "lijepi" za površine ploča. Fluid između ploča možemo podijeliti u više slojeva.

Ako jednu od ploča P1 krenemo pomicati nekom brzinom u smjeru x, tada će se sloj fluida

najbliži ploči također pomicati tom brzinom u smjeru x. Zbog kohezivnih sila unutar fluida je

za očekivati da će se i daljnji slojevi početi pomicat, ali sa smanjenjem brzine proporcionalno

udaljenošću od pokretne ploče. Smanjenje brzine uzrokuje trenje u fluidu.

Postoji neovisni dokaz odnosa između η i H iz post-glacijalnih utjecaja. Pretpostavkom da je

H= n x 100 km, dobivamo:

η (Pa s) = 6,5x1018n3 (6.4)

34

Uvrštavanjem ovog u jednadžbu (6.3) i zamjenom vrijednosti za brzinu (v=7,4x10-10ms-1)

dobivamo:

σ (Pa)=4.8x104n2 (6.5)

Ako pretpostavimo da je n=2, te da je debljina astenosfere 200km, koju smatramo gornjom

granicom raspona, dobivamo σ =1.9x105 Pa . Ovo je mnogo manje od naprezanja kod tipični

velikih potresa, koji iznosi 107 Pa, i ukazuje na to da se ploče relativno slobodno gibaju preko

astenosfere. Uzimanje n=1.5, te da je prosječna debljina astenosfere 150 km, dobivamo σ

=1.1x 105 Pa i po izrazu (6.1), viskozno disipacija je Ep=4,1x 1010W s fp=0.0077.Odgovarajuća

prosječna viskoznost astenosfere iznosi 2,2x 1019 Pa/s. Iako postoje očite nejasnoće u ovom

izračunu dovoljno je navesti da je površina gibanja ploča nešto veća od pasivnih posljedica

od konvekcije plašta.

Sada razmislite o energiji subdukcije. Proces postaje pomalo zbunjujući na 660 km dubine pa

ćemo se usredotočiti za početak na gornji plašt, kojem smo izračunali gravitacijsku energiju

subdukcije za ovu dubinu koja je 3.36km2 /godišnje od litosfere (pretpostavljajući da cijela

doseže tu dubinu). Njegov negativan uzgon je rezultat toplinskog skupljanja koje proizlazi iz

dubinskih zapažanja oceana. Uz dodatak da za izostatsku komponentu oceanskog

produbljivanje uzmemo prosjek skupljanja 2,1 km, zatim za promjenu u magnatskoj kori

∆zc = 200m, gustoća ρc = 2900 kg m-3, zatim da se ∆zm=1900m odnosi na skupljanje materijala

plašta, s gustoćom ρm = 3370 kg m-3.Koeficijent toplinskog širenja α smanjuje se s dubinom,

koji iznosi samo 0,7 od nulte vrijednosti tlaka na 660km, a gustoća se povećava faktorom

1.18 u odnosu na isto područje (uključujući i učinke faznih prijelaza na 660 km). Tako se

proizvod (αρ) smanjuje za faktor 0.83 preko ovog dubinskog raspona, te se za prosjek ovog

proizvoda u gornjem plaštu uzima da je manji od površine vrijednosti

αρ/( αρ)0=0,915. Negativni se uzgon koji proizlazi iz skupljanje množi s tim faktorom. To je

dijelom korigirano pozitivnim uzgonom unutarnje gustoće razlika, (ρm-ρc) = 470 kg m-3,

između kore komponenta, debljina zc = 7 km, i plašta u koji tone. S ovim brojevi neto donjih

sila uzgona po četvornom metru oceanske litosfere iznosi:

F/A=g[(ρm∆zm + ρc∆zc)( αρ) /( αρ)0-(ρm-ρc)zc]=5.66x107Nm-2 (6.6)

35

gdje je g=9.92 ms -2 prosjek gravitacije preko 660 km dubine subdukcije.

S 3.36 km2/godina = 0.106 m2 s-1 od litosfernog spuštanja koji je 6,6 x105 m, stopa

gravitacijskog oslobađanja energije je 4,0x 1012 W, te je više od 70% energije gornjeg plašta

termodinamički procijenjena. Ako pretpostavimo da značajan dio komponenta kore izbjegne

punu subdukciju, oslobođena energija uslijed subdukcije je bliža termodinamičkim

rezultatima, ali još uvijek postoji razlika koja otpada na konvektivne snage negdje drugdje u

gornjem plaštu. Uvođenjem uzgona kore povlači problem u kojem se bazaltna Oceanska

kora vjerojatno pretvoriti u gušće oblike, nazvano eclogite, na dubinama, a uklanjanjem

njegova uzgona, s efektom sličnom pretpostavci da se kora ne oduzima. Međutim, to je faza

tranzicije i treba posvetiti posebnu pozornost kod izračuna konvektivne energije Ako

uklonimo koru iz jednadžbe (1,6), onda moramo omogućiti pojam kompenzacije energije

negdje drugdje u konvektivnom ciklusu.

Viskoznost plašta procjenjujemo izjednačavanjem oslobođene gravitacijske energije po

subdukciji za viskozne disipacije viskoznih ploča. Njihova učinkovita površina je 51 000 km

duga od subduktivne zone pomnožena s 660 km /sinθ udaljenosti uronjene ploče, gdje je θ

kut urona, kojeg uzimamo kao 45⁰, zatim sve pomnožimo s 2 jer su ploče povučene

na obje gornje i donje površine, s ukupnom površinom od AS=9.5x 1013m2. Pošto je ukupna

površina područja sačuvana i 3.36km2/godišnje od generacije kore usklađeno istom stopom

subdukcije, prosječna brzina subdukcije iznosi 6,6 cm / god, koja je v=2.1x 10 -9 m s-1.

Identificiramo dispilaciju energije s gore procijenjenim gravitacijskim oslobađanje energije,

tako da je:

E= ASv σ = 4,0x 1012W (6.7)

gdje je σ posljedica rastezanja plašta, zbog kojeg ovaj argument daje 2,0x 107 Pa. Ovo je na

visokom kraju raspona naprezanja subdukcijske zone koje se da zaključiti i iz potresa i

potvrđuje adekvatnosti konvekcije za održavanje tektonske aktivnosti, uključujući i potresa.

Iz jednadžbe (6.3) za procjenu viskoznosti plašta kao cjeline iz otpornosti na ploči subdukcije,

ne postoji očigledan vrijednost H za pretpostaviti. Iako se akcija smicanja može širiti vrlo

široko, efekt samoomekšavanje uslijed rasipanja će imati tendenciju da se skupljaju. Ako

pretpostavimo da je H=150 km, s brzinom v=2.1x 10-9ms-1, kao i gore, onda je η=1.4x 1021 Pa

36

s. Priznajući široke varijacije u viskoznosti, to se mora smatrati utjecajem post-glacijalne

procjene skoka viskoznosti gornjeg plašta.

6.1 Hipoteze konvekcijskog modela širenja topline

Do sada smo razmatrali samo površinsko kretanje ploče i subdukcije u gornjem plaštu, koje

je bitno jer su promatrane značajke konvekcije plašta. Za raspravu o uzroku povratnog toka i

upetljanosti donjeg plašta nužno je više špekulacije ali postoji nekoliko razmatranja koje

pružaju ograničenja hipoteza.

1. Adijabatski gradijent temperature je proporcionalan apsolutnoj temperaturi, T, tako da uz

pretpostavku plašt ostaje približno adijabatski dok se hladi, pad temperature; a gubitak

topline bilo kojeg elementa materijala je proporcionalna T. Visoke temperature donjeg dijela

plašta znači da gubitak topline u njemu, nose veći udio od ukupnog gubitka topline (77%)

nego svoju masu od ukupne mase (73%). Faktor od 73% se odnosi na produkt radioaktivnog

raspadanja topline, što pretpostavljamo da se distribuira prema gustoći. Toplina kore se

tumači odvojeno.

2. Mehanička snaga generirana u donjem dijelu plašta je oko 30% od generirane snage u

cijelom plaštu, iako obuhvaća 2 / 3 volumena. Konvektivna energija se obračunava

termodinamički, ali povezujući je sa silama uzgona, potrebno je prepoznati da se koeficijent

toplinskog širenja smanjuje za faktor od 3 u dubinu plašta. Također omjeri temperature su

niži u donjem dijelu plašta nego u gornjem dijelu plašta, smanjujući Carnot učinkovitost

konvekcije.

3. Viskoznost donjeg dijela plašta je veća nego gornjeg dijela plašta, možda za faktor ~ 10.

4. U sadašnjoj stopi subdukcije volumena jednakom volumenu gornjeg dijela plašta,

prevezena je kroz litosferu u milijardi godina ili manje. Za volumen jednak cijelom plaštu

potrebno je vrijeme od tri milijarde godina.

5. 2/3 gubitka topline plašta prema površini Zemlje otpada na radioaktivnost, koja je

distribuirana kroz plašt. Ako dopustimo nevjerojatnu hipotezu da dijelovi plašta dosljedno

zagrijavaju prema gore milijardama godina, subduktcirana hladnoća, prema nekim

mehanizmima, mora biti distribuirana u cijelom volumenu.

37

6. Osim u zonama subdukcije, granice faza plašta su seizmički oštre i uniformne u dubini. Kao

što je prikazano u sekciji 22,4, to ograničava brzinu povratnog toka u gornji dio plašta za mali

dio brzina subdukcije (<10%), što zahtijeva velike razmjere i rasprostiranja u plaštu.

7. Temperatura donjeg dijela plašta, zaključujući iz njegove električne provodljivosti, nije

dramatično veća od temperature gornjeg dijela plašta (Dobson i Brodholt, 2000),

neodobravajući hipotezu termalne granice koja odvaja cirkulacije u gornjem i donjem dijelu

plašta.

8. Barem neki od materijala ploče održava svoju koherentnost u prodiranju u donji dio

plašta, ali fazni prijelaz u 660-om kilometru je prepreka konvekciji.

9. Termodinamički izračuni konvektivne energije onemogućuju ideju da su svi od

subduktcirani materijali na kraju dosegnu dno plašta.

10. Stijene dobivene iz plašta pokazuju da regije izotopično različitog izvora su preživjele

konvektivno miješanje.

6.2 Razmatranja hipoteza konvekcijskog modela širenja topline

Model konvekcije koji zadovoljava sve ove uvjete zahtjeva genijalnost. S vrlo ograničenim

izravnim dokazima koliko donji dio plašta je konvektan, to ne čudi da postoje različite ideje.

Mi možemo učiniti općenito promatranje, toplinski tok po jedinici površine u radijusu r

smanjuje se s dubinom (smanjuje r), pa tako i brzina konvekcije. To je kvalitativno u skladu s

povećanjem viskoznosti, ali povećati za faktor reda deset, kao što je predloženo od strane

post-glacijalnog oporavka, može se smjestiti samo uz pretpostavku da su konvektivna gibanja

mnogo manja koncentrirana nego u gornjem dijelu plašta. Moramo imati na umu i to da

pretpostavka o gubitku topline plašta izvedene iz cijelog plašta, je ekvivalentna pretpostavci

da je subducirana hladnoća također distribuirana u cijelom donjem dijelu plašta (iako ne

nužno stalno). 2/3 prolazi kroz 660 km dubine, ali više manje doseže bazu plašta. Tako lakše

razumijemo da konvekcija donjeg dijela plašta je sporija, ali nije tako lako vidjeti koliko se

hlađenje distribuira kroz medij sa viskoznošću donjeg plašta.

Možemo se upitati s razlogom: da li je potrebno pretpostaviti da je konvekcija jedini značajan

mehanizam za hlađenje plašta? Alternativa je kondukcija, ali morala bi biti oko 80 Wm -1K-1, a

38

to postiže jedino radioaktivna kondukcija, kao što je i nekad bila predložena. Primjenjujući

formulu (19.62) vidimo da to znači neprozirnost ε~150 m-1, što odgovara vidnoj dubini od

7mm. Nevjerojatno je da noseći željezni minerali donjeg dijela plašta mogu biti tako prozirni.

U svako slučaju, ako je konduktivnost donjeg dijela plašta toliko visoka, tada bi termalna

struktura bila bitno različita od današnjeg razumijevanja istog. Toplina kore će se provoditi

kroz donji dio plašta bez D" sloja termalne granice ili dobavljanja vrućih materijala za

duboko-plaštne perjanice, eliminirajući objašnjenje neslaganja temperature kore i plašta.

Konvekcija će biti slaba, ako se uopće pojavila, sa neznatnom snagom za tektoniku. Zato,

zahtjeva se tjelesne konvekcije cijelog plašta i nedostatak sloja termalne granice na 660 km

dubine znači da se donji dio plašta ne promatra odvojeno. Objašnjeno u 7. gledištu, povratni

tok prema gore u gornjem dijelu plašta je jako spor i širokog razmjera i neizbježno je da se to

kretanje proteže i u donji dio plašta. Ovi zaključci upozoravaju na problem brzog hlađenja

donjeg dijela plašta zbog subduciranog materijala, što znači da nema dosljednih varijacija

temperature visokih razmjera koje će uzrokovati nevjerojatno velike sile uzgona. U zadnjem

stavu sekcije 12.6. nudimo logično objašnjenje: konvektivni uzorci se ponavljano mijenjaju u

vremenskim razmjerima dosta kraćim od 109 god., pa tako se i različiti dijelovi donjeg dijela

plašta hlade odvojeno, a ne istodobno.

39

7. Sile uzgona perjanica u dubokom plaštu

7.1 Uvod

U ovom dijelu seminara objašnjen je odnos materijala u dubokim slojevima Zemljinog plašta

uslijed razlika temperature između vanjske jezgre i donjeg sloja plašta. Također su

razjašnjeni pojmovi D" sloja i perjanica (oblaka, engl. "plumes") dubokog plašta, njihova

međusobna povezanost, te njihov oblik i ponašanje materijala u njima.

7.2 Granični sloj jezgre i plašta

Duboko u Zemlji, gdje vladaju jako visoke temperature i tlakovi koji tvore kristale i strukture

neviđene na površini Zemlje, neobičan i valoviti sloj odvaja Zemljinu tekuću vanjsku jezgru

od čvrstih stijena donjeg dijela plašta. Takva kompozicija na dubini Zemlje od oko 3000 km je

nazvana D" slojem (na engl. "dee double prime") (Krieger; 2004.). U takvom graničnom sloju

debelom i do 200 km (slika 24.), dolazi do velikih promjena temperature i drastičnog

smanjenja brzine seizmičkih valova. Takva tranzicijska zona se naziva i zona ultra-niskih

brzina (ULVZ-ultra low velocity zone), a uzrok smanjivanja brzina seizmičkih valova se

pripisuje taljenju stijena donjeg dijela plašta od strane vruće jezgre; ili kemijskom reakcijom

vanjske jezgre sa susjednim plaštom, gdje laganije slitine željeza reagiraju sa silikatima iz

plašta pri čemu nastaju manje gusti željezni silikati koji se izdižu i nakupljaju duž granice

jezgre i plašta. Tlak akumuliranog sedimenta duž granice uzrokuje stiskanje tekućeg željeza iz

pora i formiranje električki vodljivog sloja koji povezuje jezgru i unutarnji plašt i objašnjava

usporavanje valova u zoni ultra-niskih brzina.

40

Slika 24: Prikaz strukture Zemlje i odgovarajućih dubina (URL 14)

7.2.1 Odnos materijala uslijed promjene temperature u D"sloju

Razlike u temperaturi između donjeg dijela plašta koji je definiran između 660-2900 km

dubine Zemlje i vanjske jezgre definirane između 2900-5100 km dubine Zemlje iznosi oko

800 K (slika 25). Takvo naglo povećanje u temperaturi se događa u termalnom graničnom

sloju kod baze plašta - D" sloju.

Slika 25: Prikaz temperatura odgovarajućih dubina slojeva Zemljine unutrašnjosti

(URL 15)

41

Iz mehanike fluida je poznato da su temperatura i viskoznost obrnuto proporcionalni, tj

povećanjem temperature se smanjuje viskoznost i obrnuto; pa možemo zaključiti da su

materijali baze plašta koji leže na vanjskoj jezgri manje viskozni nego gornji materijali u

plaštu. Takav odnos možemo dokazati omjerom linearnih Newtonovih viskoznosti na

temperaturama T1=2785 K, što otprilike odgovara temperaturi gornje granice D" sloja, i

T2=3739 K, što otprilike odgovara temperaturi donje granice sloja; i sa temeljnom

temperaturom TM=4000 K, dobije se omjer viskoznosti η1/ η2 = exp[gTM(1/T1-1/T2)] = 6x104.

Varijacije od 200 K u pretpostavljenoj vrijednosti TM mijenja ovaj omjer za faktor manji od 2.

Po ovom omjeru se vidi da materijali okolo jezgre na donjoj granici D" sloja omekšaju u

odnosu na materijale donjeg dijela plašta (gornja granica D" sloja). Takvi slojevi mekog

materijala na dnu D" sloja su termički odvojeni i brzo plivajući, te kao takvi snabdijevaju

dubokoplaštne perjanice (Davis, Stacey 2008).

7.3 Perjanice

Perjanice (engl. "plumes") možemo definirati kao hipotetički termalni proboj abnormalno

vrućih materijala koji su se ujezgrili na granici jezgre i plašta, i kao takav se uzdiže kroz

Zemljin plašt (slika 26). Skraćeno možemo reći da je to termalni proboj nastao konvekcijskim

gibanjima u plaštu koji transportiraju toplinu iz jezgre do Zemljine površine. Postoje

dubokoplaštne perjanice koje nastaju u D" sloju (na dubini ~2900 km) i prenose toplinu u

gornji dio plašta ili direktno do "vrućih točaka" na Zemljinoj površini - tzv "super perjanice"

(engl "superplumes") (slika 27); i "plitke" perjanice koje nastaju na dubini Zemlje od 660 km.

42

Slika 26: Presjek Zemlje sa prikazom perjanica (URL 16)

Slika 27: "Super perjanica" (URL 17)

Područje interesa ovog seminara su dubokoplaštne perjanice, pa se detaljnije objašnjenje

istih nalazi u sljedećim poglavljima.

43

7.3.1 Povezanost perjanica i D" sloja

Ponašanje i svojstva D sloja i perjanica su usko povezani. Ne samo da su perjanice potrebna

posljedica termalnog graničnog sloja, nego i njihovo postojanje je nemoguće bez tog sloja.

Već je napomenuto prije da mekši materijali D" sloja su termički odvojeni i jako plivajući, te

pomoću njih se "hrane" dubokoplaštne perjanice. Ne mogu svi materijali perjanice biti na

graničnoj temperaturi i njihova prosječna viskoznost je kompromis sa viskoznošću materijala

dovučenog malo više iz D" sloja. Mekši materijali plivaju brže i tok u D" sloju je ograničen na

tanke slojeve niske viskoznosti na dnu i uključuje samo jedan mali dio graničnog sloja. Ova

konstatacija je prikladna ako prosječna viskoznost ne prelazi 10 -4 viskoznosti glavnog donjeg

sloja. Ako ona iznosi 1022 Pas, prosječna viskoznost će biti 1018 Pas (Davis, Stacey 2008).

7.3.2 Struktura i dinamika dubokoplaštnih perjanica

Formiranje dubokoplaštnih perjanica je neizbježna zbog rasta temperature približno 800 K u

D" sloju, jer služi kao odušak materijala iz termalnog graničnog sloja. Jaka ovisnost

temperature o viskoznosti djeluje tako da tok topline ide gore u dugotrajne perjanice koje

imaju promjer približno 20 km blizu baze plašta, te se smanjuje u širini progresivnim

omekšavanjem i parcijalnim topljenjem materijala prema gore. Brzina toka uz os perjanice je

1,6 m/god kod baze plašta i 4,8 m/god na 670 km dubine Zemlje (Loper, Stacey 2002).

Termalno difuzivno širenje zagrijane perjanice je kompenzirano sporom horizontalnom

konvergencijom materijala plašta prema dimnjaku, kao odgovor niskome tlaku. Ta

kovergencija koja doprinosi samo malo povećanje toka materijala kroz perjanicu, također

služi kao i ventil toka u dimnjaku. Globalni tok perjanice potreban da transportira 1,6x1012 W

topline jezgre gore kroz plašt iznosi 1,8x106 kg/s (Loper, Stacey 2002). Kod baze plašta

materijal perjanice je vjerojatno još značajno niže od njegove temeljne temperature, ali

značajna parcijalna topljenja su jako slična dok se uzdiže.

7.3.3 Računanje svojstvenih parametara perjanica i sile uzgona

Reducirana viskoznost objašnjava zašto perjanice mogu biti uske i brzo plivajuće. Materijal je

mekši u centru gdje je tok koncentriran i potisak daje reducirani tlak uzrokovajući spori

kolaps plašta prema unutra, koji ograničava promjer i prigušuje tok na samostabilizirajući

način. Perjanice imaju termalne vijence promjera reda 10 puta njihovog promjera efektivnih

44

fluida. Ovdje uzimamo u obzir pojednostavljenu verziju, vertikalnu cijev fiksnog radijusa, a,

prenašajući 'fluida' uniforme viskoznosti od 1018 Pas.

Ako postoji 20 perjanica plašta koje prenose ukupno 4x1012 W topline kore na površinu ili u

astenosferu, to je 2x1011 W svaka, 39% toga je konvertirano u mehaničku energiju; a tada je

mehanička energija potiska svake perjanice E=0.8x1011 W. To iznosi E/l=2.4x104 W po metru

perjanice, pretpostavljajući vertikalno uzdizanje, tako da tok ima stopu volumena ,

za glavnu brzinu sila uzgona po metru perjanice iznosi:

(7.1)

Kako je dan za toplinu transportiranu koja iznosi:

(7.2)

sa prosječnom gustoćom cijelog plašta ρ=4500 kg/m3, Cp=1200 JK-1kg-1 i spomenutom

promjenom temperature od ΔT= 800 K, uz dobije se iznos sile uzgona po metru

perjanice:

(a u metrima). (7.3)

Ova sila je u ravnoteži zbog viskoznog povlačenja, za koju adaptiramo Poiseuill-ovu formulu

za stopu volumena toka gonjen razlikom tlaka ΔP na duljini l:

(7.4)

gdje smo supstituirali πa2ΔP=F. Pomoću prethodno izračunate sile uzgona po metru

perjanice (F/l) i uzimajući prosječnu viskoznost perjanice η=1018 Pas, dobije se radijus

perjanice:

. (7.5)

Postoje očite nesigurnosti i aproksimacije u ovome izračunu, ali potencija (1/4)

osigurava u zadnjem izrazu osigurava neosjetljivost radijusa perjanice na njih. Perjanice su

45

uske, iako se procijenjeni radijus odnosi samo na jako vruće tokove koji su okruženi puno

širim termalnim vijencima, koji se mogu vidjeti u seizmološkim mjerenjima. Prosječna brzina

materijala perjanice je:

(7.6)

i puno veća nego brzina ploče. Ovi izračuni zanemaruju utjecaj parcijalnog topljenja koji dalje

reducira viskoznost i radijus perjanice, te povećava brzinu (Davis, Stacey 2008).

46

8. Zaključak

Zemlja je „nemiran“ i živ planet i samim svojim sastavom i svojstvima doprinosi procesima

koji se odvijaju unutar Zemlje. Ti procesi dovode do različitih reakcija vidljivih na fizičkoj

površini Zemlje. Takve reakcije se manifestiraju u obliku pojava poput potresa, vulkanskih

erupcija itd., a pojave rezultiraju daljnjim fenomenima i katastrofama poput tsunamija i

transformnih rasjeda. Ono vidljivo na površini zapravo je samo rezultat pojave ili kretnje u

samoj unutrašnjosti Zemlje, te se lančano prenosi sve do površine. Konvekcijskim

naprezanjem dolazi do tektonskog naprezanja i gibanja tektonskih ploča koje prouzrokuju

spomenute reakcije. Ono što je bitno navesti, a većina ljudi nije svjesna toga, jest da se

unutar Zemlje vrši prijenos energije i njezino konstantno cirkuliranje koje razni znanstvenici i

stručnjaci na osnovu mjerenja i dokaza izražavanju hipotezama. Postoje razne teorije o

procesima u dubokoj unutrašnjosti Zemlje, te svaki stručnjak zastupa svoju ili onu za koju

smatra da je „točna“, što dosta ovisi u kojem području znanosti o Zemlji djeluje (geologija,

seizmologija…). Veće spoznaje se mogu naći o procesima u gornjem sloju Zemljine

unutrašnjosti, iako i te teorije također ne možemo uzeti „zdravo za gotovo“. Bitno je naglasiti

da takve teorije pomažu znanstveno-geodetskoj struci u definiranju mnogih teorija i modela

koje se koriste pri obradi različitih mjerenja kako bi dobili zadovoljavajuće rezultate. Također

je bitno, da se inzistira na suradnji između različitih znanosti, u ovom smislu geodezije i

ostalih (geologija, seizmologija, geomagnetizam,…) kako bi se ostvario što kvalitetniji

doprinos u obliku predikcije različitih pojava na Zemlji i njenoj unutrašnjosti, kao što su

potresi, tsunamiji i ostalo, koje ugrožavaju ljudski život. Spasiti jedan ljudski život takvim

predikcijama pravi je uspjeh i ono čemu bi znanost trebala težiti.

47

48

9. Literatura

Stacey, F.; Davis, P. (2008): Physics of the Earth, Cambridge University Press, 4.

izdanje, Cambridge University Press, 181-188

Bašić T., Rezo M., Markovinović D. (2011): Predavanja iz kolegija “Geofizička

geodezija”, Geodetski fakultat, Zagreb

Moore E. M.; Twiss R. J. (1992): Structural Geology, University of California at Davis,

W. H. Freeman and Company, New York 445-463

Kay M. (1951): North American Geosyncline, Geological Society of America, GSA

Memoir 48, New York 25-48

Rožić N. (2001): Geodinamika, Geodetski fakultet, Zagreb, interna skripta

Loper, D.; Stacey, F. (2002): Dinamična i termalna struktura dubokoplaštnih perjanica,

Physics of the Earth and Planetary Interiors, broj 33, 4. izdanje, 304-317.

Hansen, U.; Yuen, D. A.; Kroening, S. E.; Larsen, T. B.: Dinamične posljedice o dubini

zavisne termalne ekspanzije i viskoznosti na cirkulacije u plaštu i termalnu strukturu,

Physics of the Earth and Planetary Interiors, broj 77, 3. i 4. izdanje, 205-223.

Krieger, K. (2004): Demistifikacija D"- sloja, Science mag

Haakon Fossen (2010): Structural Geology, University of Bergen, Norway, 69-94

Lugović B. (2009.): Petrologija magmatita i metamorfita, Rudarsko-geološko-naftni

fakultet, Zagreb, interna skripta

URL-1: http://geoclass.files.wordpress.com/2010/02/geosinklinala.png (29.11.2011.)

URL-2: http://geoclass.files.wordpress.com/2010/02/navlaka.jpg (29.11.2011.)

URL-3: http://geoclass.files.wordpress.com/2010/02/preklapanjeafrikejamerike.png

(29.11.2011.)

URL-4: http://geoclass.files.wordpress.com/2010/02/mesosaurus.jpg (29.11.2011.)

URL-5: http://geoclass.files.wordpress.com/2010/02/nekadagleceri.jpg (29.11.2011.)

URL-6: http://geoclass.files.wordpress.com/2009/06/rekonstrukckretkont.jpg

(29.11.2011.)

URL-7: http://geoclass.files.wordpress.com/2009/06/picture20.png (29.11.2011.)

URL-8: http://geoclass.files.wordpress.com/2009/06/earthmagfiledinversion.jpg

(29.11.2011.)

49

URL-9: http://geoclass.files.wordpress.com/2009/06/picture22.png (29.11.2011.)

URL-10: http://pubs.usgs.gov/gip/dynamic/Vigil.html (29.11.2011.)

URL-11: http://geoclass.wordpress.com/2009/07/03/tektonika-ploca-tipovi-granica/

(29.11.2011.)

URL-12: http://www.absorblearning.com/media/item.action;jsessionid=

302A09DF13BDDEC13C9F146A8646747C?quick=12p (29.11.2011.)

URL-13: http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html (29.11.2011.)

URL 14:http://library.thinkquest.org/28327/html/universe/solar_system

/planets/earth/interior/layers_of_earth.html (29.11.2011.)

URL 15: http://faculty.plattsburgh.edu/thomas.wolosz/volcanism.htm (29.11.2011.)

URL 16: http://www.mantleplumes.org (29.11.2011.)

URL 17:, http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0a

/Lower_Mantle_Superplume.PNG (29.11.2011.)

URL 18: SAO/NASA sustav astrofizičkih podataka, http://adsabs.harvard.edu

(29.11.2011.)

50