Οι τεκτονικές πλάκες υπάρχουν εξ αιτίας των θερμικών στηλών υλικού του εσωτερικού της Γης;

Είναι κοινή γνώση ότι το σκληρό επάνω στρώμα της Γης, που ονομάζεται λιθόσφαιρα, αποτελείται από κινούμενες πλάκες. Αλλά αυτό που ακόμη παραμένει μυστήριο είναι ακριβώς το ποιος μηχανισμός έθεσε για πρώτη φορά σε κίνηση τις τεκτονικές πλάκες. Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον καθηγητή του ETH, Taras Gerya, έχει πλέον καταλήξει, χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις, σε μια πιθανή απάντηση.

«Γνωρίζοντας με τι μοιάζει ένα κοτόπουλο και με τι έμοιαζαν όλα τα κοτόπουλα πριν, δεν μας βοηθά να κατανοήσουμε το αυγό», λέει ο Taras Gerya. Ο καθηγητής Γεωφυσικής του ETH χρησιμοποιεί αυτή τη μεταφορά για να αντιμετωπίσει τις τεκτονικές πλάκες και την πρώιμη ιστορία της Γης. Η λιθόσφαιρα της Γης χωρίζεται σε διάφορες πλάκες που βρίσκονται σε συνεχή κίνηση και οι σημερινοί γεωλόγοι έχουν κατανοήσει καλά τι οδηγεί αυτές τις κινήσεις των πλακών: Οι βαρύτερες ωκεάνιες πλάκες βυθίζονται κάτω από τις ελαφρύτερες ηπειρωτικές πλάκες κατά μήκος αυτών που είναι γνωστές ως ζώνες υποβύθισης. Μόλις η κίνηση αρχίσει, διαιωνίζεται λόγω του βάρους της πυκνής βυθιζόμενης πλάκας.

Αλλά ακριβώς, όπως και στο παρελθόν, οι γεωεπιστήμονες εξακολουθούν να μην κατανοούν τί πυροδότησε για πρώτη φορά τις τεκτονικές πλάκες, ούτε πώς σχηματίστηκε η πρώτη ζώνη υποβύθισης. Για να αρχίσουν τα τμήματα του φλοιού της Γης την κάθοδό τους στο μανδύα της, ήταν απαραίτητο ένα αδύναμο σημείο στην λιθόσφαιρα της Γης. Τα ερωτήματα που τίθενται: Ήταν, αυτό το αδύναμο σημείο, κάτι που προκλήθηκε από ένα γιγαντιαίο μετεωρίτη που ουσιαστικά έκανε μια τρύπα στην λιθόσφαιρα της Γης; Ή μήπως οι δυνάμεις συναγωγής του μανδύα έσπασαν τη λιθόσφαιρα σε κινούμενα μέρη;

Η Αφροδίτη ως μοντέλο

Ο Gerya δεν ικανοποιείτο με καμιά από αυτές τις πιθανές εξηγήσεις. «Δεν είναι επουσιώδες να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με το τι πρωτο-ενεργοποίησε τις τεκτονικές κινήσεις», λέει. Συνεπώς, ο καθηγητής του ETH στοχεύει να βρεί μια νέα, πειστική εξήγηση.

Μεταξύ άλλων, εμπνεύστηκε από μελέτες σχετικά με την επιφάνεια του πλανήτη Αφροδίτη, η οποία δεν είχε ποτέ τεκτονικές πλάκες. Ο Gerya παρατήρησε (και μοντελοποίησε), τεράστιους κύκλους σαν κρατήρες (κορώνες) στην Αφροδίτη, που μπορεί να υπήρχαν επίσης στην επιφάνεια της Γης στην πρώιμη περίοδο (προκάμβιο) της ιστορίας της, πριν ακόμα αρχίσουν οι τεκτονικές πλάκες. Οι δομές αυτές θα μπορούσε να υποδεικνύουν ότι θερμικές στήλες υλικού του μανδύα κάποτε ανέβηκαν από τον πυρήνα σιδήρου της Αφροδίτης στο εξωτερικό στρώμα, μαλακώνοντας έτσι και αδυνατίζοντας την επιφάνεια του πλανήτη. Οι θερμικές στήλες σχηματίζονται στο βαθύ εσωτερικό τμήμα του πλανήτη. Ανέρχονται προς τη λιθόσφαιρα, φέροντας μαζί τους θερμό, μερικώς λιωμένο υλικό του μανδύα που προκαλεί την εξασθένιση και την παραμόρφωση της λιθόσφαιρας. Σταματημένο από την αντίσταση της σκληρής λιθόσφαιρας, το υλικό αρχίζει να εξαπλώνεται, παίρνοντας ένα σχήμα που μοιάζει με μανιτάρι.

Τέτοιες θερμικές στήλες υλικού, επίσης, πιθανόν να υπήρχαν στο εσωτερικό της Γης και θα μπορούσε να έχουν δημιουργήσει την εξασθένηση της λιθόσφαιρας της Γης που απαιτείται για να αρχίσει η κίνηση των τεκτονικών πλακών της Γης.

Οι θερμικές στήλες δημιουργούν αδυναμίες

Ο γεωφυσικός του ETH εργάστηκε με την ομάδα του για να αναπτύξει νέα μοντέλα σε υπολογιστές που στη συνέχεια τα χρησιμοποίησε για να ερευνήσει αυτή την ιδέα για πρώτη φορά, σε υψηλή ανάλυση και σε τρισδιάστατη εικόνα. Η αντίστοιχη εργασία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Nature.

Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι θερμικές στήλες υλικού του μανδύα και οι εξασθενήσεις που δημιουργούν μπορούσαν να έχουν πράγματι ξεκινήσει τις πρώτες ζώνες υποβύθισης.

Στις προσομοιώσεις, η στήλη υλικού αποδυναμώνει την υπερκείμενη λιθόσφαιρα και αραιώνοντάς την σχηματίζει ένα κυκλικό, αδύναμο σημείο με διάμετρο αρκετές δεκάδες έως εκατοντάδες χιλιόμετρα. Αυτό τεντώνεται με την πάροδο του χρόνου από τον εφοδιασμό θερμού υλικού από τον έσω μανδύα. «Για να γίνει ένα δαχτυλίδι μεγαλύτερο, θα πρέπει να το σπάσεις», εξηγεί ο ερευνητής. Αυτό γίνεται και για την επιφάνεια της Γης: οι δακτυλιοειδείς εξασθενήσεις μπορούν (στο μοντέλο) μόνο να διευρυνθούν και να υποβυθιστούν, εάν τα περιθώρια σπάσουν.

Το νερό λιπαίνει τα όρια της πλάκας

Τα σπασίματα εξαπλώνονται σε όλη τη λιθόσφαιρα, μεγάλες φέτες της βαρύτερης άκαμπτης λιθόσφαιρας βουλιάζουν στο μαλακό μανδύα και προκύπτουν τα πρώτα όρια πλάκας. Η τάση που δημιουργείται από τις πλάκες που βουλιάζουν τελικά θέτουν τις πλάκες σε κίνηση. Βουλιάζουν και λιπαίνονται καλά από το θαλασσινό νερό που εισέρχεται στα όρια από τον επάνω από αυτές ωκεανό. Η υποβύθιση έχει αρχίσει και μαζί με αυτήν, οι τεκτονικές πλάκες. «Το νερό δρα ως λιπαντικό και είναι μια απόλυτη αναγκαιότητα για την έναρξη μιας αυτάρκους υποβύθισης», λέει ο Gerya.

Στις προσομοιώσεις τους, οι ερευνητές συγκρίνουν διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας και καταστάσεις λιθοσφαιρών. Έφτασαν στο συμπέρασμα ότι οι τεκτονικές πλάκες, που προκαλούνται από τη στήλη υλικού, θα μπορούσαν να αναπτυχθούν αξιόπιστα στις συνθήκες που επικρατούσαν στην προκάμβιο περίοδο, περίπου τρία δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Τότε η λιθόσφαιρα της Γης ήταν ήδη παχιά και δροσερή, αλλά ο μανδύας ήταν ακόμα πολύ θερμός, παρέχοντας αρκετή ενέργεια για να αποδυναμώσει σημαντικά τη λιθόσφαιρα πάνω από τις στήλες υλικού.

Θεωρώντας, αντί αυτού, τη λιθόσφαιρα να είναι λεπτή και ζεστή και ως εκ τούτου μαλακή, οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι μια δομή σε σχήμα δαχτυλιδιού, ταχύτατα φθίνουσα, θα μπορούσε απλά να έχει σχηματιστεί γύρω από την κορυφή της στήλης. Αν και αυτή θα μπορούσε να έχει βυθιστεί σταθερά μέσα στο μανδύα, δεν θα μπορούσε να έχει οδηγήσει τη μαλακή λιθόσφαιρα να υποβυθιστεί και να σπάσει και ως εκ τούτου δεν θα μπορούσε να έχει παραγάγει τα όρια της πλάκας. Ομοίως, οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι κάτω από τις σημερινές συνθήκες, όπου υπάρχει μικρότερη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ λιθόσφαιρας και στήλης υλικού, είναι δύσκολο να ξεκινήσει η υποβύθιση που επάγεται από τη στήλη υλικού, επειδή η λιθόσφαιρα είναι ήδη πολύ άκαμπτη και οι στήλες είναι μόλις και μετά βίας ικανές να την αποδυναμώσουν επαρκώς.

Ο κυρίαρχος μηχανισμός

«Τα νέα μοντέλα μας εξηγούν πώς περίπου προέκυψαν οι τεκτονικές πλάκες», λέει ο γεωφυσικός. Η δραστηριότητα των θερμικών στηλών του υλικού ήταν αρκετή για να προκαλέσει το σημερινό μωσαϊκό των πλακών. Αποκαλεί την ισχύ των στηλών την κυρίαρχη σκανδάλη για τις τεκτονικές πλάκες της υδρογείου.

Οι προσομοιώσεις μπορούν επίσης να εξηγήσουν πώς διαμορφώνονται τα λεγόμενα σημεία τριπλής συμβολής, δηλαδή εκεί όπου τρεις πλάκες έρχονται σε επαφή, από το πολυδιάστατο τέντωμα της λιθόσφαιρας που προκαλείται από τις στήλες υλικού. Ένα τέτοιο παράδειγμα, ενός σημείου τριπλής συμβολής, βρίσκεται στο Κέρας της Αφρικής, όπου συναντώνται η Αιθιοπία, η Ερυθραία και το Τζιμπουτί.

Μια πιθανή ζώνη που εξασθενεί από στήλη υλικού ανάλογη με ένα σημείο εκκίνησης για τις παγκόσμιες τεκτονικές πλάκες, πιθανώς υπάρχει στο σύγχρονο κόσμο: οι ερευνητές βλέπουν μια τέτοια ζώνη στην πλάκα της Καραϊβικής. Το σχήμα της, η θέση και η εξάπλωσή της ανταποκρίνονται σε μεγάλο βαθμό στις προσομοιώσεις του νέου μοντέλου.

Είναι ευλόγως αδύνατον να αποδειχθεί πώς άρχισαν οι τεκτονικές πλάκες στη Γη βασιζόμενοι αποκλειστικά σε παρατηρήσεις: δεν υπάρχουν γεωφυσικά και υπάρχει μόνο ένα μικρό ποσό γεωλογικών δεδομένων από τα πρώτα χρόνια της Γης και τα εργαστηριακά πειράματα δεν είναι δυνατά για εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας και πολύ μακροχρόνιες τεκτονικές διεργασίες, λέει ο ερευνητής του ETH. «Τα υπολογιστικά μοντέλα είναι, ως εκ τούτου, ο μόνος τρόπος με τον οποίο μπορούμε να αναπαράγουμε και να κατανοήσουμε τα γεγονότα της πρώιμης ιστορίας της Γης».

Πηγή: ETH

Περισσότερα στη μελέτη: Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation, Nature 527, 221–225 (12 November 2015)