Polskie Towarzystwo Geologiczne Oddział w Poznaniu, Uniwersytet im. A. Mickiewicza Instytut Geologii, Streszczenia referat



Pobieranie 258.13 Kb.
Data09.05.2016
Rozmiar258.13 Kb.
Ewolucja Ziemi w świetle pomiarów GPS

Andrzej Pawuła

Polskie Towarzystwo Geologiczne  -  Oddział w Poznaniu, Uniwersytet im. A. Mickiewicza  -  Instytut Geologii, Streszczenia referatów wygłoszonych w roku 1999, Tom IX, Poznań, 2000.
Budowa Ziemi i jej historia stanowiły od dawna przedmiot zainteresowania myślicieli i badaczy. Hipotezy i teorie geotektoniczne formułowane były na podstawie prowadzonych obserwacji i wykorzystywały aktualne wyniki odkryć naukowych. Rozwój technik i metod badawczych przybliża nas do zobiektywizowania teorii ewolucji Ziemi. Momentami przełomowymi w kształtowaniu poglądu o historii Ziemi było, na początku XX wieku, odkrycie naturalnej radioaktywności a w latach 60-tych, odkrycie zjawiska rozrostu dna oceanów. Rozpoczęte od roku 1991, systematyczne pomiary położenia punktów reperowych przez międzynarodową służbę geodynamiczną IGS (International Geodynamics Service), w globalnym systemie GPS (Global Positioning System), dostarczają materiał badawczy do następnych przemyśleń i weryfikacji poglądów.
Krótki przegląd poglądów i teorii geotektonicznych

Platon, na przełomie IV i III wieku przed Chrystusem, zastanawiając się nad zjawiskiem erupcji wulkanicznych i katastrofalnych trzęsień Ziemi, wyrażał pogląd, że wnętrze Ziemi jest ogniste i zasila wulkany całego świata. W XVI wieku Giordano Bruno przedstawił hipotezę, że rozżarzona Ziemia ulegała stygnięciu i w wyniku kurczenia się skorupy ziemskiej powstały góry. W XVIII wieku, Benjamin Franklin (1750) przedstawił zaskakującą hipotezę o gazowym wnętrzu Ziemi, natomiast James Hutton (1785) przedstawił hipotezą plutonistyczną o rozżarzonym wnętrzu Ziemi i skałach magmowych. Alternatywną dla hipotezy plutonistycznej była w tym samym czasie hipoteza neptunistyczna Abrahama Wernera (1786), o osadowym pochodzeniu skał, w tym także bazaltów!

Na początku XVIII wieku pojawiła się oryginalna hipoteza Marschalla von Biebersteina (1802), o powstaniu Ziemi w wyniku koncentracji zimnej materii pochodzenia kosmicznego i o stałym jądrze Ziemi. Prowadzone przez Lamonta (1838), Thomsona i Darwina (1839 - 1879) oraz Wiecherta (1907), obserwacje zaburzeń pola magnetycznego i ruchu precesyjnego osi obrotu Ziemi, wskazywały na słuszność twierdzenia o żelaznym jądrze Ziemi.

Powszechniej akceptowana była jednak nadal hipoteza plutonistyczna, która została rozwinięta w XIX wieku przez de Beaumonta (1852), Heima (1878) i Edwarda Suessa (1885-1909), do postaci geotektonicznej teorii kontrakcji. Wszelkie pionowe i poziome ruchy mas skalnych były w tej teorii tłumaczone kurczeniem się kuli ziemskiej, wskutek utraty ciepła. W tym samym okresie, Hall (1859) i Dana (1873) przedstawili także hipotezę rozwoju geotektonicznego w cyklu geosynklinalnym. Według teorii geosynklinalnej rowy oceaniczne o obniżającym się dnie, miałyby być wypełniany osadami, które w ostatnim stadium rozwoju geosynkliny ulegałyby sfałdowaniu i wypiętrzeniu. Była to próba tłumaczenia obecności morskich skamieniałości w wysokich górach. Hipoteza cyklu geosynklinalnego znajdowała wielu zwolenników, m.in. Stille (1936), który wprowadził do terminologii geotektonicznej pojęcie kratonu i W.W. Biełołusov (1975, 1979), który sformułował hipotezę radiomigracyjną dla wyjaśnienia przyczyny tego procesu. Jeszcze inna hipoteza, jako geotektoniczna teoria izostazji ,została przestawiona w 1892 r. przez C.E. Duttona. Teoria izostazji przyczynę ruchów górotwórczych upatrywała w procesie wyrównywania się mas w skorupie ziemskiej. Według niej, nadmiar mas na kontynentach kompensowany jest mniejszą gęstością skał, tak więc lekkie i sztywne kry kontynentalne (sial) pływają na ciężkim i plastycznym podłożu (sima).

Pośród różnych hipotez dotyczących historii Ziemi, pod koniec XIX wieku pojawiły się jeszcze dwie teorie: permanencji i epejrogenezy. Teoria permanencji twierdziła, że kontynenty i oceany istniały od początku dziejów Ziemi, a położenie ich i rozmiary nie ulegały zasadniczym zmianom. Natomiast teoria epejrogenezy próbowała wytłumaczyć regresje i transgresje morskie powolnymi, pionowymi ruchami skorupy ziemskiej.

W poszukiwaniach prawdy o ewolucji Ziemi pojawiła się także hipoteza pomostowa. W 1900 roku E. Haug przedstawił hipotezę, według której cała powierzchnia Ziemi stanowiła skorupę kontynentalną, w obrębie której w mezo-kenozoiku nastąpiło zapadnięcie się obszarów, zajętych obecnie przez oceany.

Wielkie emocje wywołała hipoteza epejroforezy, dryfu kontynentów, wysunięta w 1858 r. przez A. Snidera i rozwinięta przez Alfreda Wegenera (1912). Według teorii epejroforezy przyczyną ruchów górotwórczych jest poziome rozsuwanie się kontynentów, które stanowiły jeden, zwarty kontynent otoczony oceanem światowym. Natomiast przyczynę ruchu kontynentów upatrywano w siłach wywołanych ruchem obrotowym Ziemi. Twierdzenie Wegenera nie znalazło powszechnej akceptacji, mimo iż było poparte argumentem podobieństwa struktur geologicznych po obu stronach Atlantyku a także pomiarami zmian współrzędnych punktów po przeciwległych brzegach oceanu.

W roku 1906 Ampferer a następnie Schwinner (1936), pod wrażeniem odkrycia przez H. Becquerela zjawiska radioaktywności naturalnej, przedstawili hipotezę podskorupowych prądów konwekcyjnych, wywołanych ciepłem radiogenicznym.

W latach 30-tych XX wieku pojawiła się geotektoniczna teoria oscylacji (E. Haarmann (1930), C.E. Wegmann (1935), R. W. von Bemmelen (1933, 1949), która zaczęła tłumaczyć genezę gór fałdowych cyklicznością zjawiska podnoszenia i obniżania się podłoża (oscylacje!), jako konsekwencji konwekcyjnych prądów wyrównawczych magmy.

Program badawczy geologii dna oceanów, podjęty w latach 60-tych, dostarczył rewelacyjnych danych dotyczących historii Ziemi. W obrębie wszystkich oceanów stwierdzono bowiem istnienie ryftów z aktywnym wulkanizmem i stref przyrostu litosfery. Badania szczegółowe skał podłoża z uwzględnieniem wierceń podmorskich oraz metod paleomagnetycznych i geochronologii, pozwoliły na stwierdzenie magmowego charakteru skał budujących dno oceanów, istnienia intensywnego strumienia cieplnego w rejonie ryftów a także na stwierdzenie symetrycznego układu geoizochron i anomalii magnetycznych skał bazaltowych w stosunku do linii ryftu oceanicznego. Wyniki badań wykazały bezpodstawność wielu teorii geotektonicznych, w tym przede wszystkim teorii permanencji. Nowo rozpoznane zjawisko przyrostu litosfery tłumaczą dwie teorie geotektoniczne: teoria tektoniki płyt i teoria tektoniki globalnej ekspansji. Obie teorie potwierdzają twierdzenie Wegenera o mobiliźmie kontynentów, jednak różnią się między sobą a nawet są wzajemnie sprzeczne, co do przyczyny zjawisk geotektonicznych, jak też co do interpretacji ewolucji Ziemi.



Teoria tektoniki płyt (Plaite Tectonics) została sformułowana w latach 60-tych, przez Dietza (1961) i Hessa (1962) a następnie kontynuowana w pracach de Pichona, Heitzlera, Wilsona i Vine'a. Teoria ta zakłada stałą wartość promienia Ziemi a wobec stwierdzenia przyrostu litosfery na obszarze płyt oceanicznych, wprowadziła pojęcie subdukcji płyt litosfery, t. zw. strefy Benioffa. Jako przyczynę ruchu kontynentów, teoria tektoniki płyt upatruje działanie prądów konwekcyjnych magmy w ascenosferze i wszelkie trzęsienia Ziemi tłumaczy kolizją płyt w strefie subdukcji.

Hipoteza ekspansji Ziemi pojawiła się już pod koniec XIX wieku w publikacjach Jarkowskiego (1889) i późniejszych pracach Lindemanna (1927) i Bogolepova (1930), jako przyczynek do dyskusji nad teoriami, dryfu kontynentów i pomostowej. Natomiast podstawy teorii tektoniki ekspansji globu (Global Expansion Tectonics) zostały sformułowane przez Hilgenberga (1933, 1974) i Careya (1958, 1976, 1988). Znaczny wkład do tej teorii wniosły także prace Brosske'ego, Koziara, Maxlowa, Scalera i Vogela. Inspirację do stworzenia teorii ekspandującego globu, podobnie jak w przypadku teorii tektoniki płyt, stanowił odkryty fakt przyrostu litosfery. Teoria ekspandującego globu, jako pierwsza uwzględnia zmiany geometrii Ziemi w trakcie jej istnienia, uwzględnia nie tylko przyrost skał litosfery ale także przyrost wody na kuli ziemskiej. Stąd wnioski wynikające z tej teorii są diametralnie różne od wniosków wynikających z innych teorii geotektonicznych, które tych czynników nie uwzględniają. Opory w uznaniu teorii ekspandującej Ziemi, jako najbardziej prawdopodobnej, wynikają z trudności zrozumienia przyczyny ekspansji. Dla Hilgenberga nie ma problemu, czy proces ekspansji globu istnieje, problemem jest, czy ekspansja przebiega bez przyrostu, czy z przyrostem masy Ziemi (O. Hilgenberg, 1974). Próbą odpowiedzi na powyższe pytanie są hipotezy na temat roli promieniowania kosmicznego i reakcji jądrowych (A.Pawuła, 1997, 1999).



Pomiary GPS mobilizmu litosfery

Pomiary ruchów przesuwczych litosfery w systemie GPS dostarczają materiał do kolejnego etapu poznania ewolucji globu ziemskiego. System GPS pozwala, za pomocą 24 satelitów Ziemi, na dokonywanie precyzyjnych pomiarów położenia w kartezjańskim układzie współrzędnych, którego punktem centralnym jest geometryczny środek globu. Dane z sieci pomiarowej gromadzone są przez Międzynarodową Służbę Geodynamiczną (IGS) i poddawane analizie przez laboratorium JPL Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, przy współpracy z agencją NASA. Pomiary wykonywane są z dokładnością ułamków milimetra i przedstawiane jako wieloletni ciąg zmian współrzędnych x, y, z punktów reperowych na powierzchni Ziemi. Dla każdej stacji IGS obliczane są prędkości długoczasowych zmian długości i szerokości geograficznej oraz zmian wysokości punktu reperowego a także krótkoczasowe amplitudy oscylacji tych wielkości. Na podstawie indywidualnych, dla każdej stacji, wykresów tych parametrów, obliczono wielkość wektorów przesunięć horyzontalnych i ich azymuty (Tab. 1).

Tabela 1. Prędkości przesunięć punktów reperowych IGS (International Geodynamics Service), według pomiarów GPS (Global Positioning System); dane z okresu 1991 - 1997

Miejscowość

Położenie

geograficzne



Kod

stacji IGS



Wektor prędkości

horyzontalnej



Prędkość ruchu pionowego

mm/rok







azymut (###)

mm/rok

wznoszenie

obniżanie

EUROPA















Bruksela



Belgia


BRUS


51,8


24,8


6,66


-


Kootwijk



Holandia


KOSG


46,5


22,4


1,82


-


Onsala



Szwecja


ONSA


50,6


21,2


2,73


-


Potsdam



Niemcy


POST


54,5


25,0


10,81


-


Graz


Austria

GRAZ

57,5

27,2

-

4,38

Borówiec



Polska


BOR1


58,5


25,0


4,38


-


Tromsoe



Norwegia


TROM


44,8


21,2


1,25


-


Olsztyn



Polska


LAMA


56,5


26,2


2,56


-


Józefosław



Polska


JOZE


56,7


26,8


0,46


-


Kikkonummi



Finlandia


METS

59,4

23,3

5,93

-

AZJA















Manama



Bahrain


BAHR


42,8


40,3


-


0,35


Kitab



Uzbekistan


KIT3


83,9


27,7


1,75


-


Irkuck



Rosja


IRKT


108,0


27,6


0,25


-


Taejon



Korea


TAEJ


125,8


29,5


1,95


-


Usuda



Japonia


USUD


190,8

12,6

1,35

-

Tsukuba



Japonia


TSKB


202,2


14,0


-


2,82


AMERYKA



PÓLNOCNA












Westford



USA (MA)


WES2


280,0


14,9


-


0,16


North Libert



USA (IA)


NLIB


250,5


13,3


-


1,89


Yellowknife



Kanada


YELL


232,6


19,8


2,61


-


Goldstone


USA (CA)

GOL2

241,5

19,9

-

10,98

Quincy



USA (CA)


QUIN


244,5


20,0


-


2,92


Westlake



USA (CA)


AOA1


293,1


39,4


-


0,80


Harvest



USA (CA)


HARN


290,9


44,5


-


11,43


Vandenberg



USA (CA)


VNDP


293,6


42,8


-


1,40


Catalina


USA (CA)

CAT1

296,3

39,3

1,45

-

Wrightwood



USA (CA)


TABL


277,8


27,5


0,78


-


Palos Verdes



USA (CA)


PVEP


295,1


39,1


1,05


-


Pearblossom



USA (CA)


HOLC


280,1


25,8


3,81


-


AMERYKA



POŁUD.
















Bogota



Kolumbia


BOGT


35,9


21,0


-


10,20


Santiago



Chile


SANT


47,2


24,4


6,20


-


Arequipa



Peru


AREQ


34,1


17,8


5,57


-


Brasila



Brazylia


BRAZ


335,3


13,0


-


0,75


AFRYKA















Malindi



Kenia


MALI


61,6

28,8

7,47

-

Pretoria



Afryka Połud.


HART


45,3


23,6


5,56


-


ATLANTYK















Grenlandia



Dania


NALL


39,1


17,3


5,51


-


Thule

Grenlandia





Dania


THU1


279,2


22,8


3,20


-


Reykjavik



Islandia


REYK


321,4


20,7


-


1,41


Maspalomas


Hiszpania

W.Kanaryjskie



MAS1

45,3

23,9

7,98

-

Wyspa Wniebo-wstąpienia



Wyspa Wniebo-wstąpienia


ASC1


356,7


15,1


1,10


-


ANTARKTYDA















Ross Island



Antarktyda


MCM4


141,23


18,4


0,52


-


Davis



Antarktyda


DAV1


214,4


8,4

6,22

-

PŁYTA AUSTRALIJSKA















Perth



Australia


PERT


35,7


68,6


0,19


-


Canbera



Australia


CANB


19,7


56,8


-


2,78


Wyspy Cocos



Australia


COCO


35,9


62,5


6,97


-


Auckland



Nowa Zelandia


AUCK


11,8


36,7


5,87


-


PACYFIK


Płyta Nasca
















Wyspa Galapagos



Wyspy Galapagos


GALA


77,1


52,6


7,69


-


Wyspa Easter



Chile


EISL


96,8


66,5


8,60


-


PACYFIK



Pł. pacyficzna












Papeete



Tahiti


TAHI


296,7


64,9


-


140,54


Papeete



Tahiti


PAMA


292,7

68,4

5,60

-

Kwajalein



Atol Kwajalein


KWJ1


286,8


76,2


-


3,15


Manua Kea



USA Hawaje


MKEA


298,9


68,0


-


20,57


Dededo



Guam


GUAM


279,2


10,4


4,13


-


źródło danych: International GPS Service for Geodynamics (http://sideshow.jpl.nasa.gov)

Wyniki pomiarów mobilizmu litosfery wskazują nie tylko na ruch całych płyt kontynentalnych ale także na przesunięcia terenowe w obrębie tego samego kontynentu. Na kontynencie europejskim, generalnie rejestrowane są przesunięcia w kierunku północno-wschodnim, lecz azymuty wektorów przesunięć różnią się o kilkanaście stopni. Różnice względne wektorów przesunięć horyzontalnych dochodzą do około 5,5 mm/rok. Wszystkie wymienione europejskie stacje geodynamiczne, z wyjątkiem stacji w Graz, podlegają wypiętrzaniu z prędkością od 0,46 do 10,81 mm/rok. Natomiast w rejonie austriackiej miejscowości Graz teren ulega obniżaniu z prędkością ponad 4 mm/rok.

Stacja IGS w Południowej Afryce wykazuje ruch w kierunku NE z prędkością 23,6 mm/rok, podobnie jak w stacjach europejskich, jednak w Malindi (Kenia) na wschodnim wybrzeżu afrykańskim, azymut ruchu przesuwczego różni się o ponad 16 stopni i ma orientację ENE. Punkt reperowy w Bahrajnie nad Zatoką Perską wykazuję ruch, z prędkością ponad 40 mm/rok, w kierunku NE. Natomiast punkty reperowe w centralnej Azji, przesuwają się w kierunku wschodnim a nawet południowym. W Uzbekistanie ruch przesuwczy jest w kierunku wschodnim, z prędkością 27,7 mm/rok a stacja w Irkucku wykazuje przesunięcie w kierunku ESE. Jeszcze większe odchylenie na południe obserwuje się na terenie Korei (azymut 125o) i na wyspach japońskich, gdzie stwierdzono ruch przesuwczy z prędkością 12 - 14 mm/rok, w kierunkach S i SSW.

Ruchy przesuwcze na kontynencie północno-amerykańskim również wykazują znaczne różnice. Na wschodnim wybrzeżu w stanie Maseachusetts (stacja WES2) obserwuje się ruch w kierunku zachodnim, z prędkością 14,9 mm/rok. W części środkowej kontynentu (stacja NLIB) kierunek ruchu zmienia się na WSW a jego prędkość określona została na 13,3 mm/rok. Obie wymienione stacje wykazują lekkie obniżanie się terenu. Jeszcze większe odchylenie w kierunku południowym zaobserwowano w stacji YELL na północo-zachodzie Kanady. Punkt obserwacyjny przesuwa się w kierunku SW z prędkością 19,8 mm/rok i ulega równocześnie wypiętrzaniu z prędkością 2,61 mm/rok. Największe zróżnicowanie ruchów przesuwczych występuje na obszarze Kalifornii. Zaznaczają się tam dwie strefy, jedna w rejonie miejscowości Goldstone i Quincy, gdzie ruch przesuwczy odbywa się w kierunku południowo-zachodnim , z prędkością około 20 mm/rok, przy tendencji obniżania się terenu oraz druga (pozostałe stacje kalifornijskie) gdzie kierunek ruchu jest WNW, prędkości horyzontalne sięgają 44,5 mm/rok a ruchy pionowe są przemienne.

Kontynent południowo-amerykański przesuwa się generalnie w kierunku północnym, jednak w części wschodniej kontynentu (Brasilia) obserwuje się kierunek NNW, natomiast na wybrzeżu zachodnim obserwuje się kierunki w sektorze NE.

Na kontynencie australijskim a także na australijskiej wyspie Cocos, przy ogólnym kierunku NNE, występuje ponad 15 stopniowa różnica azymutów i duża różnica prędkości przesuwczej (56 - 68 mm/rok).

Mobilizm płyt oceanicznych jest jeszcze bardziej dynamiczny i zróżnicowany. Wektory prędkości na wyspach Pacyfiku, zlokalizowanych na zachód od linii ryftu (Hawaje, Tahiti, Atol Kwajalein), zorientowane są w kierunku WWN. Prędkości poziome osiągają wartość 76 mm/rok. Szczególna aktywność tektoniczna wyraża się także amplitudą pionowych oscylacji krótkoczasowych, która na stacji TAHI na Tahiti, usytuowanej na wysokości 75 m npm, wynosi 24 mm. Druga stacja na Tahiti PAMA, zlokalizowana na wysokości 337,9 m npm wykazuje podobną aktywność. Różnica między nimi dotyczy ruchów pionowych. Pierwsza stacja zapada się z prędkością 140,5 mm/rok, natomiast druga zlokalizowana na wyniesieniu podlega wypiętrzaniu z prędkością 5,6 mm/rok. Stacja Mauna Kea na Hawajach zlokalizowana na wulkanie, na wysokości 3755 m npm, obniża się ze średnią prędkością 20,6 mm/rok, przy amplitudzie oscylacji krótkoczasowych 14,9 mm. Obserwacje na stacjach IGS zlokalizowanych na wschód od linii ryftu, na Wyspach Galapagos i Easter, wykazują odwrotny kierunek ruchu na E, azymuty 77,1 i 96,8o. Pozioma prędkość przesuwcza jest również duża, od 52,6 na Galapagos do 66 mm/rok na wyspie Easter. W obu przypadkach powierzchnia wyspy ulega wynoszeniu, z prędkością około 8 mm/rok.

Charakterystycznym zjawiskiem, obserwowanym w stacji ASC1 na Wyspie Wniebowstąpienia na Oceanie Atlantyckim, usytuowanej w strefie ryftu środkowo-altantyckiego, jest północny kierunek przesunięcia (azymut 356,7o), z prędkością 15 mm/rok. Tutaj także obserwuje się lekkie wypiętrzanie terenu, z prędkością 1,1 mm/rok. Stacja w Maspalomas na Wyspach Kanaryjskich, usytuowana na wschód od linii ryftu, przesuwa się w kierunku NE z prędkością 23,9 mm/rok, podobnie jak stacja południo-afrykańska i stacje europejskie. Również tutaj rejestruje się wypiętrzanie i to z prędkością 7,97 mm/rok.

Zaskakujące obserwacje pochodzą ze stacji podbiegunowych. Stacja NALL na Grenlandii przesuwa się w kierunku NE. Natomiast stacje: Thule na Grenlandii i Reykiavik na Islandii, przesuwają się w kierunku NW. Dowodzi to, że linia ryftu przechodząca przez Islandię, dzieli również Grenlandię. Zastanawiające jest przy tym odchylenie przesuwu w kierunku bieguna, na północ. Na półkuli południowej, stacje zlokalizowane na obrzeżu Antarktydy przesuwają się w również w kierunku bieguna. Stacja MCM4 w Ross Island przesuwa się w kierunku SE a stacja w Davis, w kierunku SSW. W obu stacjach rejestruje się lekkie wypiętrzanie, przy czym amplituda oscylacji pionowych jest rzędu 14 mm.

Obok stwierdzenia zjawiska zróżnicowania kierunków ruchu przesuwczego w obrębie płyt litosfery, drugim wnioskiem jest stwierdzenie ogólnej tendencji do wypiętrzania terenu.


Współzależność ruchu przesuwczego i trzęsień Ziemi (Coseismic)

Zróżnicowanie ruchów przesuwczych podłoża skutkuje powstawaniem naprężeń górotworu i trzęsieniami Ziemi. Przeprowadzone na obszarze Kalifornii szczegółowe badania, wykazały zjawisko tworzenie się nowych uskoków tektonicznych, równolegle do zaznaczającej się na powierzchni terenu rozpadliny uskoku San Andreas (R. Stein, R. Yeats, 1989). Hipocentra trzęsień Ziemi skoncentrowane są na głębokości od 3 do 12 km, głównie w strefie tych nowo tworzących się uskoków, a nie w strefie rowu San Andreas. Na powierzchni terenu obserwuje się wypiętrzanie terenu o charakterze fałdowym. Z przeprowadzonej interpretacji geologicznej wynika wniosek, że w strefie przypowierzchniowej (do głębokości ok. 12 km), w odległości ok. 30 km od rowu tektonicznego San Andreas, działają siły ściskające, które powodują wzrost naprężeń górotworu a w konsekwencji trzęsienia Ziemi i tworzenie się lokalnych zafałdowań terenowych. Na większych głębokościach przeważają jednak siły rozciągające i powstają szczeliny, w których pojawiają się diapiry magmowe. Wyrazem tego jest widoczny na powierzchni rów tektoniczny San Andreas, który ma charakter otwierającego się ryftu.

Pomiary GPS w sieci stacji geodynamicznych IGS wykazują, obok krótkoczasowych oscylacji pionowych i horyzontalnych powierzchni terenu, długoczasowe zmiany położenia scharakteryzowane wektorami prędkości ruchu. Równocześnie udokumentowana została współzależność powolnych ruchów przesuwczych i gwałtownych odkształceń podłoża w formie trzęsień Ziemi (Fig.1). Wykres ilustruje okoliczności trzęsienia Ziemi o magnitudzie 7.5 w Sanriku Haruka-Oki w Japonii, jakie wystąpiło w dniu 28 grudnia 1994 r.. W momencie trzęsienia Ziemi, punkt reperowy na stacji Kuji został nagle przesunięty o 8 cm w kierunku wschodnim i o 1 cm w kierunku północnym. Drugie gwałtowne przesunięcie nastąpiło 10 dni później, w momencie wstrząsu wtórnego o magnitudzie M 6.9.

F
ig. 1 Zjawisko współzależności ruchu przesuwczego terenu i trzęsień Ziemi (Coseismic) zarejestrowane w 1994 r. na stacji geodynamicznej IGS w Kuji

(Webb F.H. i in., http://www.unavaco.ucar.edu/gen_info/science_snap/webb_l.html)

Złożoność lokalnych ruchów przesuwczych podłoża charakteryzują pomiary GPS w rejonie gorącej kaldery (hotspot) w Parku Yellowstone, w Górach Skalistych (Smith, Meertens). W centrum kaldery, która ma charakter formującego się diapiru magmowego, stwierdzono występowanie poziomych ruchów koncentrycznych i obniżanie się powierzchni terenu, z prędkością do 20 mm/rok. Na zewnątrz kaldery kierunki przesunięć poziomych są bardzo zróżnicowane, przy generalnie wznoszącym ruchu pionowym.

Ruchy pionowe, w strefie formujących się uskoków tektonicznych i diapirów magmowych mają kierunki zmienne. Generalnie obserwuje się jednak zjawisko wypiętrzania terenu, które można interpretować jako przyrost promienia globu.


Wnioski

Należy uznać za oczywiste, że formy aktywności geologicznej są wyrazem stanu ewolucji Ziemi a każdy szczegół budowy geologicznej winien być interpretowany jako efekt rozwoju geotektonicznego całego globu. Należy uwzględnić także fakt, że Ziemia jest planetą w układzie słonecznym i jej historia jest elementem ewolucji całego układu. Akceptując wielość poglądów w fazie analizy faktów i potrzebę dyskusji między teoriami geotektonicznymi, należy zdać sobie sprawę, że istnieje tylko jedna prawdziwa historia Ziemi. Która z istniejących teorii jest bliższa prawdy?

Jeśli, jak dowodzi tego teoria kosmologiczna, Słońce i planety układu słonecznego powstały z obłoku zimnej materii pyłowo-gazowej przed około 4,6 mld. lat, etapem wstępnym było utworzenie się zimnych planetozymeli, krążących w jednej płaszczyźnie ekliptyki i przy jednakowym kierunku ruchu obrotowego. Proces koncentracji masy doprowadził do utworzenia centralnego globu i planet satelitarnych. Proces wzrostu masy każdego globu odbywa się poprzez przyciąganie grawitacyjne pyłu kosmicznego i większych bolidów. Wzrost masy każdego globu prowadzi do utworzenia jądra, charakteryzującego się wysokimi ciśnieniami, co powoduje wzrost temperatury i pojawienie się aktywności tektonicznej i wulkanicznej. Należy sądzić, że w warunkach bardzo wysokich ciśnień i temperatur mogą zachodzić procesy konwekcji gorącej materii a nawet procesy termojądrowe. Wstępne wyniki badań z podziemnych detektorów neutrin wskazują na możliwość wychwytywania, przez jądro globu, składników promieniowania kosmicznego i przyspieszenia przyrostu masy globu.

Poznanie geologii dna oceanów przyczyniło się do weryfikacji dotychczasowych teorii geotektonicznych. Stwierdzenie zjawiska przyrostu litosfery zdezaktualizowało teorię kontrakcji i teorię pomostową. W miejsce teorii pomostowej i konwekcyjnej pojawiła się teoria tektoniki płyt, która hipotetyczne zapadliska zastąpiła hipotetyczną subdukcją, zachowując pogląd o niezmiennych wymiarach Ziemi.

Pomiary mobilizmu płyt litosfery, wykonywane w sieci stacji geodynamicznych IGS, wskazują na endogeniczną przyczynę ruchów geotektonicznych i generalny przyrost promienia Ziemi. Mobilizm litosfery, nie ogranicza się do całych płyt kontynentalnych lecz dotyczy całego globu, w tym także płyt oceanicznych. Można wnioskować, że wyniki pomiarów potwierdzają teorię ekspandującego globu, która zakłada wzrost promienia Ziemi i tworzenie się nowych ryftów na obszarze istniejących kontynentów. Jako przykłady takich form można wymienić ryft środkowo- i wschodnioafrykański oraz ryft kameruński, gdzie obniżaniu dna rowu tektonicznego towarzyszy działalność wulkaniczna.

Teoria ekspansji Ziemi tłumaczy zjawisko przyrostu litosfery w obrębie płyt oceanicznych i tworzenie się nowych ryftów na obszarze kontynentów, siłami ednogenicznymi wywołującymi wzrost promienia globu. Hipotezą pozostaje pytanie postawione przez Hilgenberga, ekspansja bez przyrostu, czy z przyrostem masy globu. W obrębie sztywnych płyt kontynentalnych, o kształcie sferycznym, powstają naprężenia rozciągające w dolnej części płyty (diapiryzm) oraz naprężenia ściskające w górnej części płyty kontynentalnej (formowania się uskoków ukrytych, fałdowanie).

W powstałą szczelinę wdziera się magma, tworząca się prawdopodobnie w strefie D". Tworzący się w ten sposób ryft kontynentalny jest zaczątkiem oceanu. Początkowo długie, wąskie i głębokie obniżenie zostaje zalane przez morze, a w miarę rozsuwania się płyt litosfery kontynentalnej i rozrastania się litosfery oceanicznej - zwiększa swoje rozmiary. Stałe dostarczanie magmy bazaltowej, jej krzepnięcie w szczelinie ryftowej i stałe, ponawiane pękanie tej szczeliny, umożliwiające wydostawanie się coraz to nowej porcji magmy, powoduje formowanie się grzbietu śródoceanicznego i ciągłe rozrastanie (spreading) bazaltowego dna oceanicznego. Rozbudowa dna oceanicznego zachodzi systematycznie po obu stronach szczeliny ryftowej i grzbietu śródoceanicznego w miarę oddalania się od osi grzbietu występują coraz starsze partie bazaltu; najstarsze są bazalty w sferze kontaktu z kontynentem; początkowy zbiornik morski rozrasta się do rozmiarów oceanu, a rozerwane przez ryft brzegi kontynentu oddalają się coraz bardziej od siebie.

Sumaryczna ilość law bazaltowych wylewanych w ryftach oceanicznych jest oceniana na 56 mld t rocznie. Przypuszcza się, że w ciągu ostatnich 200 mln lat przybyło w ten sposób ok. 200 mln km2 nowej skorupy oceanicznej. Jednym z dowodów na prawdziwość teorii ekspansji Ziemi jest model doświadczalny rozwoju geotektonicznego globu z uwzględnieniem geoizochron, którego autorem jest James Maxlow (Fig. 2).


F
ig.2. Empiryczny model ekspandującej Ziemi według J. Maxlowa
(opracowanie graficzne J. Koziar)
Tabela 2. Ewolucja Ziemi według teorii ekspandującego globu

Era / Okres

przedział czasu



Zjawiska i procesy geotektoniczne

Formy aktywności geologicznej


Środowisko i formy życia

Pierwsze pojawienie się organizmów


Azoik

4,6 - 3,5 mld lat BP





 koncentracja zimnej materii gazowo-pyłowej (4K) do postaci planetozymeli i planet układu słonecznego (równoczesne kształtowanie się Słońca, którego wiek określany jest również na 4,6 mld lat).

 utworzenie się zimnego globu

 wzrost masy i promienia globu w wyniku przyciągania grawitacyjnego pyłu kosmicznego i meteorytów a także oddziaływania składników promieniowania kosmicznego

 po osiągnięciu masy krytycznej globu powstaje gorące jądro, pojawiają się różne formy aktywności geologicznej: wulkanizm, seizm


 początkowo brak atmosfery

 gazy wulkaniczne (m.in. tlenki węgla i azot) tworzą pierwotną atmosferę

 pojawienie się wody juwenilnej z odgazowania magmy



Proterozoik

3,5 - 0,56 mld lat BP





 wzrost aktywności wulkanicznej i tektonicznej, erupcje wulkaniczne powodują tworzenie się atmosfery złożonej z gazów wulkanicznych i pojawienie się wody na powierzchni globu

 tworzenie się wapiennych skał osadowych w środowisku wodnym, głównie z sinic (stromatolity)

 tillity, gliny morenowe powstałe w warunkach klimatu zimnego, występujące na wszystkich kontynentach


 3 500 mln lat - pierwsze ślady życia - organizmy jednokomórkowe, bez wydzielonego jądra: wirusy, bakterie, sinice (protokarionty)

 rozwój sinic (stromatolity), wykorzystujących metabolizm fotosyntetyczny do transformowania tlenków węgla w tlen (produkcja tlenu atmosferycznego)

 1 600 mln lat - organizmy jednokomórkowe z jądrem i chromosomami (eukarionty)


Paleozoik

560 - 230 mln lat BP


Kambr

Ordowik


Sylur

Dewon


Karbon

Perm




 rozwój ryftów kontynentalnych z aktywnym wulkanizmem (osady piroklastyczne i pokrywy lawowe)

 tworzenie się epikontynentalnych zbiorników wodnych; zjawiska towarzyszące:

- transgresje morskie - skutek ruchu obniżającego i przyrostu wody juwenilnej z odgazowania magmy

- regresje morskie - skutek ruchu wznoszącego, generalnie - efekt przyrostu promienia Ziemi



 510 mln lat - ryby

 400 mln lat - rośliny lądowe

 370 mln lat - owady

 350 mln lat - rośliny z nasionami i zwierzęta wodno-ziemne (rozwój roślinności jako skutek efektu cieplarnianego, w warunkach przyrostu wody juwenilnej na powierzchni globu)



Mezozoik

230 - 65 mln lat BP

Trias

Jura


Kreda



 rozwój morskich basenów epikontynentalnych

 rozwój uprzywilejowanych linii ryftu i tworzenie się strefy przyrostu litosfery - powstanie oceanu światowego



 205 mln lat - gady (dinozaury)

 190 mln lat - ssaki

 150 mln tal - ptaki

 140 mln lat - rośliny kwiatowe



Kenozoik

65 - 0 mln lat


Trzeciorzęd

Czwartorzęd





 przyspieszony wzrost promienia globu, wypiętrzenie gór i szybki rozrost płyt oceanicznych

 wzrost intensywności wulkanicznej w strefach ryftu oceanicznego; dalszy przyrost wody juwenilnej w procesie odgazowania magmy

 tworzenie się nowych ryftów w obrębie płyt kontynentalnych (punkty cieplne, wulkany kontynentalne)

 tworzenie się złóż złóż hydratów metanu pod dnem oceanów i pod wieczną zmarzliną, jako efekt parcia gazów magmowych (nieorganiczna geneza złóż węglowodorów)



 4 mln lat - człowiek




LITERATURA

Bogolepov M., 1930: Die Dehnung der Lithospäre. Z.deutsch.Geol.Ges.,82,206-228.

Brosske L., 1962: Wachst die Erde mit Natukatastrophen? Die "Expansions - Teorie", p.105 "Sanus" L.Brosske Abtig. Verlag, Dusseldorf-Benrath 41.

Dietz R.S., 1961: Continent and ocean basin evolution by spreading of the sea floor, Nature, 190, 854-857.

Dewey J.F., 1972: Plate Tectonics. Sci. Amer., New York, 226.

Haug E., 1900: Les geosynclinaux et les aires continentales. Bull. Soc.Geol. France, serie 3, vol. 28, p.646.

Hess H.H., 1962: History of ocean basin. Petrol.Stud., Vol.in honnor of A.F. Buddington, 599-620.

Hilgenberg O.Ch., 1933: Wom wasechenden Erdball. Giessmann und Bortsch. Berlin-Pankow, p.55.

Hilgenberg O.Ch., 1974: Debat about the Earth. The question should no be: "drifters of fixists ?" but instead: "Earth expansion with or without creation of new matter ?". Geotekt. Forsch., 45, p.159 - 165.

Carey S.W., 1958: The tectonic approach to continental drift. Continental drift a symposium, Geology Department Univ. Tasmania, p. 1-355.

Carey S.W., 1976: The Expanding Earth. In: Developments in Geotectonics 10. Elsevier Sc. Pub. Com., Amsterdam-Oxford-New York, p. 1-488.

Carey S.W., 1988: Theories of the Earth and Universe. A History of Dogmea in the Earth Sciences. Stanford University Press, California, p. 413.

Creer K.M., 1965: An Expanding Earth? Nature, 205 (4971), 539-544.

Jarkowski J., 1889: Vsemirnoje tjagotenije kak sledsstvo obrazovanija vesomoj materii vnutri nebesnych tel. Moskwa (Publik. Autora)

Koziar J., 1980: Ekspansja den oceanicznych i jej związek z hipotezą ekspansji Ziemi. Sprawozdanie WTN, 358, Wrocław, s.13-19.

Koziar J., 1985: Rozwój oceanów jako przejaw ekspansji Ziemi. Geologia 8, Katowice, p. 109-114.

Koziar J., 1994: Principes of Plate Movements on the Expanding Earth

Le Pichon X., 1968: Seas-Floor Spreading and Continental Drift. J. Geoph. Res., V.73, 12, 3661-3697.

Lindemann B., 1927: Kattengebirge, kontinentale Zerspaltung und Erdexpansion. Ver. von G.Fisher, Jena, p.186.

Maxlow J.,1995: Global Expansion Tectonics: Empirical Small Earth Modelling of An Exponentially Expanding Earth. (http://people.enternet.com.au/~jmaxlow).

Oberc J., 1986: Ziemia - mobilizm i ekspansja. Problemy 1986, 10, 23-36.

Pawuła A., 1997: Czy przejawy aktywności geologicznej są konsekwencją promieniowania kosmicznego? Referat wygłoszony na seminarium doświadczalnym Zakładów i Pracowni Fizyki Wysokich Energii, Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego w Krakowie

Pawuła A., 1999: Rola procesów jądrowych w kształtowaniu środowiska naturalnego. Referat wygłoszony na seminarium Instytutu Fizyki Politechniki Warszawskiej i opublikowany na stronie internetowej: http://main.amu.edu.pl/~pawula

Scalera G., 1988: Nonconventional Pangea recontructions: new evidence for an expanding Earth. Tectonophysics, 146, 1-4, 365-383.

Scalera G., 1990: Clues favouring expanding Earth theory. in: Critical aspects of the plate tectonics theory, Vol.II, Theophrastus Publications, Athens, p. 65-93.

Scalera G., Meloni A., 1991: L'Evoluzione del Planeta Terra. Ed. Deldalo, Bari, p.238.

Smith R.B., Meertens, 1998: Crustal deformation of the Yellowstone hotspot from GPS. Departement of Geology and Geophysics, University of Utah. (http://www.unavco.ucar.edu/gen_info/science_snap/meertens1-1.html)

Stein R., Yeats R., 1989: Les séismes cachés. Pour la Science, 142, 30-41.

Strutinski C., 1990: The importance of transcurence phenomena in moutain building. in: Critical aspects of the plate tectonic theory. Vol. II, Theophractus Publications, Athens, p. 141-166.

Vogel K., 1983: Global models and Eart expansion. in: Carey S.W. (ed), Expanding Earth Symposium, Sydney 1981, University of Tasmania, p. 17-27.

Vogel K., 1990: Die Entwiclung der Randmeere und Ozeane aus der Sicht der Erdexpansion, dargestellt an Globenmodellen. Nachr.Dt.Ges. H. 43, p. 154

Webb F.H., Tsuji H., Hatanaka Y., Miyazaki S.: Deformation from the M7.5 1994 Sanriku Haruka-Oki earthquake and the M6.9 aftershock from high rate (75 min) GPS observations (http://www.unavaco.ucar.edu/gen_info/science_snap/webb_l.html)



-----------------------------------------------------------

Referat wygłoszony w dniu 13 maja 1999 r., na zebraniu naukowym Polskiego Towarzystwa Geologicznego - Oddział Poznański
e-mail: pawula@main.amu.edu.pl

http://main.amu.edu.pl/~pawula


©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna