Skorupa ziemska oceaniczna - Polski Serwis Naukowy

Wiek skorupy oceanicznej: na czerwono obszary najmłodsze, czyli miejsca spreadingu

Skorupa oceaniczna to drugi, obok odmiany kontynentalnej, typ skorupy ziemskiej, stanowiący obecnie ok. 60% powierzchni Ziemi. Jest ona relatywnie cienka (średnio 7 km), młoda (do 200 milionów lat) i gęsta (3 g/cm³) w porównaniu z kontynentalną (odpowiednio 35 km, do 4 miliardów lat i średnio 2,7 g/cm³). Dna wszystkich ziemskich oceanów zbudowane są ze skorupy oceanicznej. Skorupa oceaniczna buduje w całości płyty oceaniczne (np. Płyta Nazca, Płyta pacyficzna) oraz obrasta płyty kontynentalne (np. Płyta afrykańska). Prawdopodobnie skorupa oceaniczna (a przynajmniej skorupa o zbliżonych własnościach sejsmicznych) podściela skorupę kontynentalną, od której oddzielona jest nieciągłością Conrada.

Magma (gr. μάγμα „gęsta maść”) – gorąca, stopiona masa krzemianów i glinokrzemianów z domieszkami tlenków i siarczków, z dużą ilością wody i gazów, znajdująca się w głębi skorupy ziemskiej.

Duża prowincja magmatyczna (ang. large igneous province – LIP), także: wielka pokrywa lawowa to bardzo rozległy obszar występowania wylewnych skał magmowych, głównie bazaltu. Pokrywa taka może rozciągać się na powierzchni kilku milionów kilometrów kwadratowych i mieć objętość rzędu milionów kilometrów sześciennych, a odpowiadające jej pogrubienie skorupy ziemskiej może wynieść nawet 35 kilometrów.

Skorupa oceaniczna jest stale tworzona w granicach rozbieżnych płyt (w grzbietach śródoceanicznych, a dokładnie w strefach spreadingu) z zastygającej magmy płaszcza.

Tektonika

Granice rozbieżne płyt to te miejsca na powierzchni Ziemi, w których dwie płyty odsuwają się od siebie, a powstająca szczelina wypełniana jest stale skałami pochodzącymi z płaszcza. Potoki magmy zastygają więc na granicy i, już jako skały skorupy, są następnie od niej odsuwane – jak na pasie transmisyjnym – stopniowo tracąc ciepło, kurcząc się i utwardzając. Nieustający proces powstawania osadów oceanicznych sprawia, że pokrywa sedymentów osiąga największą grubość na najdawniej utworzonych, najdalszych od strefy rozrostu fragmentach skorupy. Zjawiska te razem sprawiają, że im dalej od grzbietu sródoceanicznego, tym jest ona silniej zanurzona w płaszczu Ziemi: przypuszcza się, że proces ten – zwany też "zsuwaniem grawitacyjnym" – napędza jako jeden z czynników wsuwanie się płyt oceanicznych pod inne płyty w procesie subdukcji. Hipotetyczny fragment skorupy oceanicznej ma więc relatywnie krótki żywot (oczywiście w skali geologicznej): po skrzepnięciu i podróży pod wielokilometrową warstwą wody oceanicznej zostaje ostatecznie ponownie stopiony w strefie subdukcji i powraca do płaszcza. Są jednak wyjątki.

Kominy hydrotermalne, zwane też ujściami hydrotermalnymi lub kominami geotermalnymi – położone na dnie oceanów miejsca erupcji gorącej wysoko zmineralizowanej wody, zawierającej również gazy wulkaniczne.

Grzbiet śródoceaniczny - silnie wydłużona wypukła forma dna oceanicznego, o stromych stokach, położona zazwyczaj pośrodku oceanów, oddzielająca od siebie dwa baseny oceaniczne.

W niektórych przypadkach fragment skorupy oceanicznej może zostać wypchnięty do góry na granicy zbieżnej i włączony do skorupy kontynentalnej. Odnajdywane na lądzie fragmenty skał dna oceanicznego określa się mianem ofiolitów lub serii ofiolitowej. Może też się zdarzyć, że w wyniku gwałtownego epizodu aktywności magmatycznej skorupa zostanie lokalnie przetopiona i wzbogacona o olbrzymią czasem objętość nowych skał; struktury takie nazywa się dużymi prowincjami magmatycznymi.

Płyta afrykańska - płyta tektoniczna, obejmująca swoim zasięgiem Afrykę i znaczną część południowego Atlantyku oraz Oceanu Indyjskiego. Wiek skorupy kontynentalnej Afryki określono na okres od prekambru do czasów obecnych, a skorupy oceanicznej płyty afrykańskiej na okres od wczesnej kredy do dziś.

Subdukcja – w teorii tektoniki płyt, proces polegający na wciąganiu lub wpychaniu jednej płyty litosferycznej (płyty oceanicznej) pod drugą (oceaniczną lub kontynentalną). Strefy subdukcji są jednym z rodzajów granic zbieżnych (konwergentnych, kolizyjnych) płyt litosfery.

Powstawanie

Uproszczony przekrój granicy rozbieżnej płyt tektonicznych:
1. komora magmowa
2. warstwa sedymentów
3. bazalty poduszkowe
4. dajki bazaltowe
5. warstwowane gabro
6. kumulaty dunitowe/perydototowe

Struktura granic rozbieżnych determinuje strukturę skorupy, która w nich powstaje.

Dunit – ultrazasadowa głębinowa skała pochodzenia magmowego z rodziny perydotytów, nie zawierająca w swym składzie mineralnym wolnej krzemionki (SiO2), a jedynie krzemionkę związaną w innych minerałach, której zawartość jest niższa od 45% wagowych. Zasobna w żelazo, a uboga w alkalia: sód i potas. Zbudowana jest głównie z oliwinu z domieszką niewielkich ilości chromitu, z domieszką piroksenu, amfiboli, magnetytu i innych, których zawartość może przekraczać 90% objętościowych.Skała o barwie brunatnoczarnej lub zielonoczarnej .W skład mineralny niektórych dunitów wchodzą hornblenda oraz granaty.

Perydotyty – ultrazasadowe (melanokratyczne) skały głębinowe. Zawierają mniej niż 45% krzemionki, składają się głównie z mineralnego oliwinu (40–100%), w mniejszym stopniu z piroksenów (0–60%) i innych minerałów.

Na widocznym po prawej stronie schemacie da się dostrzec typowe składniki przekroju poprzecznego przez grzbiet śródoceaniczny. Bezpośrednio pod osią rozrostu znajduje się komora magmowa (1), zwana też osiową komorą magmową (ang. axial magma chamber); może ona podchodzić pod samą powierzchnię lub być schowana nawet parę kilometrów pod dnem oceanu. Komora ta składa się przynajmniej częściowo z upłynnionej magmy, reszta jej objętości pozostaje w fazie stałej. Należy pamiętać, że rzadkie są przypadki, gdy cała objętość skały zostaje jednocześnie stopiona lub krzepnie: najczęściej zmienia fazę tylko część mieszanki mineralnej; ta, której temperatura krzepnięcia/topnienia została przekroczona. W przypadku komory magmowej skały powstające z częściowego wytrącania się tych składników, które w danej temperaturze i ciśnieniu mogą przejść do fazy stałej, odkładają się na ścianach komory.

Amfibole (z gr. ἀμφίβολος amphibolos – "nieokreślony", ze względu na różnorodność koloru i formy) – duża grupa minerałów skałotwórczych, krzemianów, czasami też glinokrzemianów.

Intruzja (z łac. intrusus = wepchnięty) – ciało skalne powstałe z zastygłej w głębi skorupy ziemskiej magmy, która wdarła się pomiędzy starsze utwory skalne. Magma unosi się w płytsze rejony skorupy ziemskiej w postaci diapiru, wciskając się pomiędzy skały otoczenia. Diapiry docierające w bezpośrednie sąsiedztwo powierzchni ziemi dają początek zjawiskom wulkanicznym, jednak większość takich ciał skalnych, na skutek powolnego schładzania, zastyga pomiędzy 5. a 30. kilometrem pod powierzchnią, tworząc ciała skalne określane jako plutony. Ich forma, wielkość i stosunek do skał otoczenia pozwala wyróżnić następujące typy intruzji:

W najgłębszych warstwach strefy spreadingu wytrącają się najbardziej zasadowe ("ultrazasadowe") skały, najbardziej też przypominające składem płaszcz: dunity, harzburgity, perydotyty i inne, w których ważnym składnikiem mineralnym jest oliwin. Tego typu skały, utworzone poprzez osiadanie wytrąconych ze stopu kryształów, określa się mianem kumulatów (6). W wyższych rejonach komory magmowej stop pozbawiony jest już większości oliwinu i najważniejszymi jego składnikami mineralnymi stają się pirokseny, amfibole i plagioklazy. Skały powstające z tych minerałów określa się jako zasadowe. Powolne wzrastanie kryształów na ścianach komory prowadzi do formowania się dużych ziaren skalnych, co jest cechą charakterystyczną skały zwanej gabro. Gabro tworzy dość grubą (3-5 km) warstwę skał o charakterystycznej strukturze warstwowej (5). Z mieszanki mineralnej o podobnym składzie formują się dwie górne warstwy bazaltowe, powstające jednak w bardziej gwatłownych okolicznościach, co uniemożliwia długotrwałe, spokojne wytrącanie się i daje w rezultacie skałę drobnoziarnistą. Warstwa przecinających się dajek (4) bazaltowych powstaje, gdy pełznąca do góry magma znajduje ujście poprzez system szczelin w skałach; procesowi temu sprzyja ciągłe odsuwanie sie od siebie płyt litosferycznych. Grubość tej warstwy skalnej, pociętej mniej więcej równoległymi intruzjami magmowymi (ang. sheeted dike complex) to zwykle 1-2 km. Gdy zaś magma taka wydostanie się na powierzchnię, zastyga gwałtownie w postaci tzw. law poduszkowych (3), tworzących również warstwę o grubości 1-2 km. Bazalt i gabro są więc skałami, odpowiednio, wylewnymi i głębinowymi, powstającymi z magmy o podobnym składzie. Różnice pomiędzy trzema górnymi warstwami skał magmowych (3-5) nie są więc w przeważającym stopniu pochodzenia chemicznego, a strukturalnego. Na samej górze leży warstwa skał osadowych (2), coraz grubsza wraz ze wzrostem odległości od osi rozrostu; może ona osiągać nawet kilka kilometrów grubości w rozległych basenach oceanicznych.

Płyta tektoniczna (płyta/kra litosfery/litosferyczna) - największa jednostka podziału litosfery, zgodnie z teorią tektoniki płyt. Płyty litosfery graniczą ze sobą wzdłuż stref o nierzadko wzmożonej aktywności sejsmicznej i wulkanicznej, jednakże same zachowują stosunkowo dużą spójność i sztywność. Mogą przemieszczać się poziomo po strefach obniżonej lepkości występujących w górnej części płaszcza Ziemi. Wyróżnia się płyty kontynentalne i oceaniczne.

Harzburgit – ultrazasadowa skała pochodzenia magmowego z grupy perydotytów, nie zawierająca w swym składzie mineralnym wolnej krzemionki (SiO2), a jedynie krzemionkę związaną w innych minerałach, której zawartość jest niższa od 45% wagowych. Zasobna w żelazo, a uboga w alkalia: sód i potas. Skała ma wyraźne struktury wewnętrzne zaznaczające się okruszcowaniem oraz wypełnieniami oliwino- piroksenowymi. W harzburgicie widoczna jest flotacja, laminacja oraz tekstura mozaikowa, wywołana rekrystalizacją oliwinów. Krawędzie minerałów są zaokrąglone.

Ewolucja

Skały skorupy oceanicznej poddawane są licznym przemianom na drodze między granicą rozbieżną a zbieżną.

Po pierwsze, stopniowo oddają ciepło swojemu otoczeniu na drodze tzw. procesów hydrotermalnych. Woda może wnikać nawet bardzo głęboko w warstwy skalne dna oceanu poprzez system szczelin. Przypuszcza się, że ok. 10% ciepła pochodzącego z wnętrza Ziemi przenoszonych jest na drodze procesów hydrotermalnych. Zachodzi przy tym nie tylko wymiana ciepła: wypłukiwane są przy tym jedne składniki mineralne i odkładane inne. Procesy te znacząco wpływają na skład chemiczny oceanów. Uwalnianie ciepła idzie w parze ze zwiększaniem się gęstości skał budujących skorupę; z biegiem czasu zanurza się więc ona coraz bardziej w astenosferze, zgodnie z prawami izostazji, co wiąże się ze wspomnianym procesem ześlizgu grawitacyjnego.

Skały osadowe (sedymentacyjne) – jeden z trzech głównych typów skał (obok skał magmowych i metamorficznych) budujących skorupę ziemską, powstają przez nagromadzenie się materiału przynoszonego przez czynniki zewnętrzne (np. wodę, lodowiec, wiatr), na skutek jego osadzania się lub wytrącania z roztworu wodnego. Nauka zajmująca się powstawaniem skał osadowych to sedymentologia.

Ziemia (łac. Terra) − trzecia licząc od Słońca, a piąta co do wielkości planeta Układu Słonecznego. Pod względem średnicy, masy i gęstości jest to największa planeta skalista Układu.

"Typowa" skorupa oceaniczna może zostać silnie przeobrażona w procesie powstawania tzw. dużych prowincji magmatycznych, kiedy to znaczna objętość skał magmowych (zwykle powyżej miliona kilometrów sześciennych) wydobywa się na powierzchnię i zostaje wbudowana w jej objętość. Ilość takich prowincji rozpoznanych w skałach dna oceanicznego waha się, zależnie od źródła i przyjętych definicji, od 15 do ponad 60. W wyniku trwającej ok. 10 milionów lat gwałtownej serii wylewów bazaltowej magmy pierwotna skorupa zostaje w znacznym stopniu stopiona i pocięta intruzjami oraz pogrubiona, tak że może ostatecznie osiągnąć miąższość 20 (Masyw Kerguelen) lub nawet 30 (Ontong Java) kilometrów. Tego typu fragmenty skorupy oceanicznej stawiają większy opór w strefie subdukcji i mogą zostać wbudowane w masę skorupy oceanicznej, a w niektórych wypadkach nawet zatrzymać proces subdukcji i zmienić geometrię granic płyt, jak to się być może stało z potężną prowincją magmatyczną tworzącą obecnie dno Morza Karaibskiego.

Nieciągłość (powierzchnia) Conrada - warstwa (nieciągłość) w skorupie ziemskiej pomiędzy jej górną częścią (warstwa granitowa - d. sial) a dolną (warstwa bazaltowa - d. sima). Wyznaczona jest przez skokowy, ale niewielki wzrost prędkości fal sejsmicznych i niewielki wzrost gęstości skał. Na wielu obszarach jest niewyraźna lub nie zaznacza się wcale (np. pod dnami oceanów). Granica ta przebiega na głębokości od 17-25 km.

Sedymentacja (łac. sedimentum = osad) – proces opadania zawiesiny ciała stałego w cieczy w wyniku działania siły grawitacji lub sił bezwładności. Sedymentacji ulegają zawiesiny o gęstości większej niż gęstość cieczy. Sedymentacja prowadzi więc do rozdziału substancji niejednorodnych, a kryterium podziału jest gęstość.

Ginięcie

Płyta Juan de Fuca podsuwa się pod Płytę Północnoamerykańską

Skorupa oceaniczna zostaje podsunięta pod inną skorupę (zwykle kontynentalną) w strefach subdukcji. Część jej materiału może zostać "zdrapana" i odłożona na płycie górnej, większość jednak zostaje wciągnięta pod kątem i powoli wsuwana w głąb płaszcza. Wraz ze zwiększającą się temperaturą coraz większa część skał zostaje stopiona. Obecność wody, wciągniętej wraz z płytą, sprzyja topieniu się znacznych ilości lawy, które migrują do góry i wydostają się na powierzchnię w łuku wulkanicznym, zwykle ok. 100-300 kilometrów za rowem oceanicznym. Nie jest do końca jasne, jak głęboko następuje całkowite roztopienie się skorupy oceanicznej w płaszczu i dezintegracja jej struktury. Na głębokości ok. 100 kilometrów znaczna część skał krzemianowych podlega transformacji fazowej w eklogit, odmianę tak gęstą, że wedle przewidywań teoretycznych powinna utonąć w płaszczu. Niektóre modele sugerują, że fragmenty płyty mogą zachować spoistość i utonąć aż do głębokości 2900 kilometrów, czyli granicy między płaszczem a jądrem Ziemi. Czasem interpretuje się dostrzeżone niejednorodności w najniższych warstwach płaszcza jako fragmenty skorupy, która opadła na "dno". W innych modelach tak głęboka migracja skał skorupy jest niemożliwa ze względu na obecność granicy fazowej w płaszczu na głębokości 670 km. Istnieje jednak zgoda co do tego, że większość ze stopionych składników skorupy oceanicznej zostaje zachowana w górnym płaszczu, a więc jego części leżacej powyżej wspomnianej granicy fazowej i przyczynia się do jego niejednorodności chemicznej. Z tego punktu widzenia "recykling" skorupy oceanicznej stanowi kluczowy czynnik w procesach różnicowania się chemicznego płaszcza Ziemi.

Płyta oceaniczna - płyta tektoniczna (płyta litosfery) znajdująca się w całości lub w znacznej części pod oceanem (np. Płyta Nazca, Płyta Pacyficzna). Powstaje w strefie spreadingu znajdującej się pod grzbietem oceanicznym. Zbudowana jest ze skorupy typu oceanicznego. Są to struktury samodzielne (płyta pacyficzna) lub obrastają płyty kontynentalne (Afryka).

Skorupa ziemska – część litosfery ograniczona od góry atmosferą i hydrosferą, a od dołu granicząca z górną warstwą płaszcza ziemskiego (nieciągłość Mohorovičicia nazywana też nieciągłością Moho). Składa się w głównej mierze z minerałów, tworzących skały. Grubość skorupy ziemskiej wynosi od ok. 10 km do 70 km. Skorupa Ziemi zajmuje 1,4% objętości globu oraz 0,3% jego masy, jest to jednak najbardziej zróżnicowana chemicznie i fizycznie geosfera.

Przypisy

Treatise on Geochemistry. Volume 3: The Crust, R.L. Rudnick (ed.), s. 538
Encyclopedia of Geology, R.C. Selley, L.R.M. Cocks, I.R. Plimer (ed.), 2004; "Large Igneous Provinces", str. 315-323 [1]

R. Dadlez, W. Jaroszewski: Tektonika, Warszawa 1994.