Hogyan működik a Föld?

A keresztény Biblia alapján végzett „számítások” pl. 6000 éves földi kort eredményeztek. A 19. század végére azonban a Föld felszínén végzett megfigyelések és a korabeli bányászat következtében mélyebbről származó tapasztalatok birtokában ki lehetett mondani, hogy a Föld nagyon idős. Szinte beláthatatlanul hosszú idő alatt tengeri elöntések és szárazulattá válások, valamint vulkáni tevékenység eredményeként kialakult kőzetrétegek lassú, de nagymértékű deformációja alakította ki a kontinenseket és azok leglátványosabb területeit, a hegységeket. Kelvin volt az első, aki fizikai alapon, nevezetesen a Föld hűlésének számításával, erre az időre 100 millió évet határozott meg. A geológusok és az élet fejlődésének kutatói azonban ezt az időtartamot túl rövidnek találták. Valóban a természetes radioaktivitás felfedezése után, 1905-ben Rutherford mondta ki, hogy Kelvin számításai érvénytelenek. Azt javasolta, hogy az urán bomlása során létrejövő leányelemek anyaelemhez való aránya alapján hitelesebb koradat kapható. A bomlási folyamat fizikájának megismerésével párhuzamosan javultak a Föld korára kapott adatok, de már az 1920-as években kezdett körvonalazódni, hogy milliárd évekről van szó. Mai ismereteink szerint 4,55 milliárd év a Föld kora és a kontinenseken található legősibb kőzetek kb. 3–3,5 milliárd éve léteznek.

A Föld a geológus szemével

De mi van a tengerek és az óceánok „nagy kéksége” alatt? Az amerikai földtudomány számára a 19. századtól a 20. század első harmadáig kézenfekvőnek látszott azt hinni, hogy az óceánok aljzata meglehetősen sima és ugyanolyan ősi, mint a kontinensek legidősebb részei. Ezzel szemben geológusok az Alpokban egy ma nem létező, egykori óceán kőzetmaradványait találták meg, amelynek meglétét az egész alpi-himalájai hegységrendszerben bizonyítani lehetett. Az óceánok tehát nem ősidőktől változatlan, stabil elemei a Földnek, hanem a kontinensektől lényegesen különböző, gyorsan változó, születő és elhaló kéregdarabjai a földfelszínnek. De milyen morfológiai elemek vannak az óceánok aljzatán?

Az első világháború során megindult, majd a második világháború alatt és után nagy összegekkel támogatott hanghullámos tengerfenék-letapogatások, kiegészülve mágneses és gravitációs mérésekkel és tengeri fúrásokkal, egy új világot tártak a szemünk elé!

Az óceánok aljzatának változatos formáit három csoportba lehet sorolni. A kb. 4 km mélységű mélytengeri síkságokból fokozatos emelkedéssel akár 1-2 km tengermélységig felérő, szimmetrikus magaslatokat hátságoknak nevezzük. A hátságok gerincvonalában egy központi hasadékvölgy húzódik, amelyet bár harántvetők szegmensekre tagolnak, a hátságrendszer folyamatos, helyenként elágazik, de behálózza a teljes földfelszínt. A mélytengeri síkságoknál legalább kétszerte mélyebb, az óceáni szigetívek előterében húzódó elnyúlt mélységeket óceáni árkoknak hívjuk.

A harmadik formaelem szintén kiemelkedés és két fajtája létezik. Jellegzetesek az általában vonalasan felsorakozó, kúpszerű vulkáni hegységek, amelyek ha a víz fölé érnek, óceáni szigetsort alkotnak. Ennek legismertebb képviselője a Hawaii–Emperor-szigetsor.

A másik kiemelkedés szintén vulkáni eredetű, de ezek nem vonalszerűek, hanem változatos alakú, bazaltplatókat, ún. pajzsvulkánokat alkotnak.

Helyenként ennek is a felszín felé érnek egyes darabjai, amelyek mindegyike egzotikus óceáni szigetként ismert. Az óceáni és kontinentális területek megismerése az 1960-as évek közepén elvezetett a megfigyeléseket egységesen magyarázó új elmélet, a lemeztektonika megszületéséhez.

A Föld felszíne 7 nagy és több kisebb, 100–150 km vastag litoszféralemezre osztható. Ezek az első közelítésben merevnek tekinthető lemezek egymáshoz viszonyítva mozognak.

A litoszféralemezek mozgása és a kialakuló vulkanizmus

A litoszféralemezek elhelyezkedését a Föld felszínén, földi metszetben a következő kép mutatja. A távolodó lemezszegélyek mentén az asztenoszférából új kőzetanyag jön a felszínre és nő hozzá a lemezszegélyekhez. Ilyen akkréciós szegélyek az óceánközépi hátságok. A lemezek egymással szembe mozgó szegélyein az óceáni lemez, az általában kontinentális lemez alá tolódik, és lehatol több száz kilométer mélységig.

Itt az óceáni lemez alátolódása gerjeszti a földrengéseket, illetve a felszín felé mozgó és általában hevesen kitörő vulkánok kialakulását. De mi van az óceáni vulkáni platókkal és szigetsorokkal? Ha rátekintünk a Csendes-óceán aljzatára, akkor meglepve tapasztalhatjuk, hogy a vulkáni kúp-, illetve szigetsorok, valamint a bazaltplatók zöme nem mutat kapcsolatot a lemezhatárokkal, hanem azoktól független feláramlási helyeket, a Föld felszínén ún. „forró foltokat” alkot. A geokémiai és szeizmikus tomográfiás vizsgálatok szerint a forró foltok alatt olyan, az alsóköpenyből eredő hőoszlopok vannak, amelyek meglehetősen stabil helyzetűek, és a felettük elmozgó litoszféralemezekben a következő animációval illusztrált módon hozzák létre a növekvő kor szerint felsorakozó vulkáni szigetsorokat.

A hőoszlopokban található forró anyag feláramlását mindennapjainkban is tapasztaljuk. Ha teát teszünk fel főni a konyhában, a teáskannában egészen hasonló módon történik a forró anyag feláramlása, mint amit a Föld köpenyében figyelhetünk meg. A forró anyag áramlását színes, látványos laboratóriumi kísérletek is igazolhatják.

Az alsóköpeny felemelkedő forró és környezeténél sokkal kisebb viszkozitású köpenyoszlopok kialakulását és fejlődését a mai nagy teljesítményű számítógépek segítségével is lehet szimulálni. Az ELTE Geofizikai Tanszékén elkészítettek egy számítógépes animációt, amely könnyen érthetővé és elképzelhetővé teszi a hőmérsékleti zónák eloszlását és a köpeny anyagának keveredését. A köpenyáramlás szimulációja azt is megmutatja, hogy természetesen nemcsak a forró anyag feláramlása, hanem – ezt kompenzálandó – a felszínen lehűlt hideg anyag leáramlása is megtörténik. Létrejön tehát egy teljes áramlási ciklus.

A kérdés az, hol vannak a felszíni nyomvonalai ennek a lefelé irányuló mélyáramlásnak. A teljes földköpenyt átvilágítani képes szeizmikus tomográfia kimutatta, hogy a klasszikus lemeztektonikai elmélettel szemben a szubdukálódó lemezek nemcsak néhány száz km mélységig képesek lehatolni a köpenybe, hanem több mint ezer km mélységbe jutnak, és végül lemerülnek a mag felső határfelületére.

Ha a szeizmikus tomográfia segítségével megnézzük ezt a réteget, akkor látjuk, hogy több hideg terület (litoszfératemető) mellett két nagy forró tartomány van, ahonnan nagy kiterjedésű, ún. szuperhőoszlopok indulnak el.

Hogyan működik

a Föld motorja?

Mindezen ismereteket szintetizálva megalkothatjuk az általánosított földfejlődési modellt. Ez a modell a klaszszikus lemeztektonikai elmélet továbbfejlesztésén alapul az utóbbi másfél évtized geokémiai, nagynyomású kőzettani és szeizmológiai eredményeinek figyelembevételével.

Eszerint a következőképpen működik a földmotor. A külső magban létező intenzív áramlások hatékonyan fűtik a köpeny alját. Ennek hatására egy alacsony viszkozitású termikus határréteg jön létre, amelyből alapvetően két típusú feláramlás indul el. A földtest két szemben lévő (antipodális) területe, Afrika délnyugati része és a Csendes-óceán déli medencéjének központi része alatt két szuperfelboltozódás van. A szeizmikus tomográfia arra utal, hogy ezek óriásgomba módjára ellaposodnak az alsó- és felsőköpeny határán, ami kőzettani fázishatár. Az itt lévő fázisátmenet ugyanis gátolja a szuperáramlás tovahaladását. Kedvezőbb a helyzet vékony oszlopok számára, amelyek ebből kiemelkedve és a litoszférát átolvasztva érik el a felszínt. A szuperfelboltozódások pereme körül jönnek létre az elsődleges köpenyoszlopok. A hátságok és más litoszférarepedések mentén a felsőköpeny anyagának felemelkedése csak paszszív. A litoszféra a köpeny külső, termikus határrétege, amely részt vesz a konvekcióban, és annak jellegét lényegesen befolyásolja. A szubdukciós zónánál alábukó és nehéz óceáni litoszféralemez viszonylag gyorsan (azaz a lemezek felszíni 1–10 cm/év sebességével) lesüllyed az átmeneti zóna aljáig. Az itt bekövetkező (endoterm) fázisátmenet időlegesen feltartóztatja a további merülést, és a lemez elfeküdhet a fázishatáron. A fázismenet lezajlása után azonban a lemez további süllyedésre képes, de a nagy viszkozitású alsóköpenyben ennek sebessége jóval kisebb, mint a felsőköpenyben, aminek következtében a lemez feltorlódik. Ezzel párhuzamosan fokozatosan felfűtődik, ami a tomográfiás képen is foltszerűen szétterjedő, nagy sebességű tartományt eredményez. Az alábukó litoszféra végállomása (temetője) a köpeny és a mag határa, ahol is záródik a Föld legnagyobb anyagáramlási ciklusa.

Legfontosabb annak felismerése, hogy a Föld működése a hőenergia kialakulásának és lecsengésének a függvénye, azaz a mai stílusú lemeztektonika geológiai időskálán csak pillanatfelvétel, és nem univerzális modell a múlt és a jövő földtörténetének megismeréséhez. Ugyanakkor kétségtelen, hogy bár változó stílusú, de lemeztektonikai folyamatok legalább 3,5 milliárd éve működnek a Földön, ellentétben a földtípusú bolygókkal, amelyeknek nincs és aligha volt lemeztektonikájuk.

Horváth Ferenc

A szerző az ELTE geofizika-professzora.

(A Mindentudás Egyetemén, 2008. március 29-én elhangzott előadás szerkesztett változata)