EWOLUCJA ZIEMI W ŚWIETLE POMIARÓW GPS

Andrzej Pawuła, Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Poznań

Polskie Towarzystwo Geologiczne  -  Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Instytut Geologii, Referaty, Tom IX, s. 25 - 38, 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).

Tab. 1. Prędkości przesunięć punktów reperowych IGS (International Geodynamics Service), według pomiarów GPS (Global Positioning System); dane z okresu 1991 - 1997. Źródło danych:  http://sideshow.jpl.nasa.gov

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 PÓŁNOCNA          
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 POŁUDN.          
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 Poł. HART 45,3 23,6 5,56 -
ATLANTYK            
Grenlandia Grenlandia NALL 39,1 17,3 5,51 -
Thule Grenlandia THU1 279,2 22,8 3,20 -
Reykjavik Islandia REYK 321,4 20,7 - 1,41
Maspalomas W.Kanaryjskie MAS1 45,3 23,9 7,98 -
Wyspa Wniebowstąpienia 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
W. Cocos Australia COCO 35,9 62,5 6,97 -
Auckland N.  Zelandia AUCK 11,8 36,7 5,87 -
PACYFIK -Płyta Nasca          
Wyspy Galapagos GALA 77,1 52,6 7,69 -
W.Easter Chile EISL 96,8 66,5 8,60 -
PACYFIK - Płyta 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 Hawaje MKEA 298,9 68,0 - 20,57
Dededo Guam GUAM 279,2 10,4 4,13 -

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 125) 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 96,8° . 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 356,7° ), 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 (Ryc.1).

Ryc. 1. Zjawisko współzależności ruchu przesuwczego terenu i trzęsień Ziemi (coseismic) zarejestrowane w 1994 r. na stacji geodynamicznej IGS w Kuji (F. H. Webb et al.., 1998)

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.

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 (Ryc. 2).

Tab. 2. Ewolucja Ziemi według teorii ekspandującego globu

Era / Okres [Przedział czasu] Zjawiska i procesy geotektoniczne oraz 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 początkowo brak atmosfery;
wzrost masy i promienia globu w wyniku przyciągania grawitacyjnego pyłu kosmicznego i meteorytów a także oddziaływania składników promieniowania kosmicznego  

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

 

po osiągnięciu masy krytycznej globu powstaje gorące jądro, pojawiają się różne formy aktywności geologicznej: wulkanizm, aktywn. sejsmiczna 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 3 500 mln lat BP- pierwsze ślady życia - organizmy jednokomórkowe, bez wydzielonego jądra: wirusy, bakterie, sinice (protokarionty)
tworzenie się wapiennych skał osadowych w środowisku wodnym, głównie z sinic (stromatolity) rozwój sinic (stromatolity), wykorzystujących metabolizm fotosyntetyczny do trans - formowania tlenków węgla w tlen (produkcja tlenu atmo - sferycznego)
tillity, gliny morenowe powstałe w warunkach klimatu zimnego, występujące na wszystkich kontynentach 1 600 mln lat BP - 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) 510 mln lat BP - pojawienie się ryb

 400 mln lat BP - rośliny lądowe

 370 mln lat BP - owady

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

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

Mezozoik

230 - 65 mln lat BP

Trias

Jura

Kreda

rozwój morskich basenów epikontynentalnych;  205 mln lat PB - gady (dinozaury)

 190 mln lat BP - ssaki

 150 mln lat BP - ptaki

 140 mln lat BP - rośliny kwiatowe

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

Kenozoik

65 - 0 mln lat

Trzeciorzęd

Czwartorzęd

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

  4 mln lat BP- człowiek

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)

Ryc.2. Empiryczny model ekspandującej Ziemi według J. Maxlowa (oprac. graficzne J. Koziar)

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)

__________________________________________________

adres do korespondencji: pawula@main.amu.edu.pl

adres strony WWW:  http://main.amu.edu.pl/~pawula