Laattatektoniikka

Benjamin Franklin litosfäärilaattojen jäljillä

Ajatus laattatektoniikasta ei ole uusi. Vaikka laattatektoninen teoria on muovautunut nykyiseen asuunsa 1900-luvun aikana, on litosfäärilaatoista ja niiden alaisesta vaipasta on spekuloitu jo 1700-luvulla. Benjamin Franklin kirjoitti 22. syyskuuta vuonna 1782 ranskalaiselle geologille, Abbè Soulavielle seuraavasti: ”...todisteita, joiden valossa näytti siltä, että saaren pinta oli kääntynyt ympäri. Jotkin osat olivat painuneet merenpinnan alapuolelle, kun taas toiset, pintaa alempana olleet rakenteet, olivat kohonneet ylös.” Franklin jatkaa: ”Tämänkaltaiset muutokset maapallomme pinnalla eivät todennäköisesti tapahtuisi, jos maa olisi kiinteä ytimeen asti. Siispä kuvittelen, että maan sisempi osa voisi koostua nesteestä, joka on tiheämpää ja, jolla on suurempi painovoima kuin millään kiinteällä aineella, johon olemme tutustuneet. Siksi kiinteä aine voisi uida tämän nesteen päällä tai sen sisässä. Edellisen perusteella maapallon pinta olisi kuori, joka voi haljeta palasiin ja joutua tämän nesteen aiheuttamien väkivaltaisten liikkeiden siirtämäksi.” 

Wegener keksii mantereiden vaeltamisen

Laattatektoniikan oivaltaja, Alfred WegenerAjatuksen mantereiden vaeltamisesta esitti ensi kertaa Alfred Wegener kirjassaan ”Die Entstehung der Kontinente und Ozeane” vuonna 1912 (Wegener 1929). Omien sanojensa mukaan Wegener keksi ajatuksen mantereiden liikkeistä tutkiessaan maailmankarttaa vuonna 1910, jolloin hän huomasi Atlantin valtamerta reunustavien mantereiden rantaviivojen olevan yhdenmukaisia. 

Asia unohtui vuoteen 1911 asti, jolloin Wegener sai sattumalta käsiinsä kirjan, joka käsitteli Brasilian ja Afrikan maayhteyttä paleontologian valossa. Kirjan innoittama hän aloitti tutkimuksen ja piti ensimmäisen esitelmänsä (Die Herausbildung der Großformen der Erdrinde (Kontinente und Ozeane) auf Geophysikalischer Grundlage) aiheesta 6. tammikuuta 1912. Tätä seurasi toinen esitelmä (Horizontalverschiebungen der Kontinente) 10. tammikuuta ja lopulta ensimmäiset julkaisut myöhemmin samana vuonna.

Kehitellessään teoriaansa Wegener käytti apunaan geodesian, geofysiikan, geologian, paleontologian, eläinmaantieteen, kasvimaantieteen ja ilmastotutkimuksen asiantuntijoita. Wegener mainitsi, että hänen tutkimustaan hidastivat Gröönlannin ylitys ja palvelu sotavoimissa. 

Wilson kuvaa modernin laattatektoniikan

Modernin laattatektoniikan isänä pidetään kanadalaista geofyysikkoa John Tuzo Wilsonia, joka esitteli laattatektonisen teoriansa vuonna 1965. Siinä hän esitti, että laattamosaiikissa mantereet liikkuvat, valtamerten keskiselänteillä tapahtuu laattojen erkanemista ja, että on olemassa subduktio- ja transformivyöhykkeitä. Samana vuonna hän esitteli myös teorian valtamerten synnystä ja umpeutumisesta. Tähän teoriaan viitataan yleisesti nk. Wilsonin syklinä.{mospagebreak title=Aina liikkeessä&heading=Johdanto}

Hitaat ja suuret laatat

Oheiseen piirrokseen on merkitty Maan suuret mannerlaatat sekä niiden rajavyöhykkeet. Nuolet osoittavat mannerlaattojen liikesuuntia. Kuva: Harri Kutvonen/GTK.Litosfääri muodostuu laskutavasta riippuen kolmestatoista 100—150 km paksusta mannerlaatasta, jotka liikkuvat astenosfäärin päällä 1—15 cm nopeudella vuodessa. Suuria laattoja on kuusi: Tyynenmeren, Euraasian, Antarktiksen, Indo-Australian, Amerikan ja Afrikan laatat. Useimmat laatat koostuvat sekä mantereellisesta että merellisestä kuoresta. Laattojen liikkuessa niiden{mosimage} keskiosat pysyvät suurelta osin jäykkinä ja koskemattomina, mutta niiden reunoilla tapahtuu törmäyksessä deformaatiota eli halkeilua, liukumista, taipumista, venymistä ja pehmenemistä. 

Koska laatat ovat jatkuvassa liikkeessä (liikkeitä kontrolloivat litosfäärin ja astenosfäärin keskinäiset liikehdinnät ja litosfäärin paksuus sekä tiheys, niiden paikat vaihtelevat. Maapallo on siis alati jatkuvan muutoksen kohteena. Laattatektoniikka tutkii edellä mainittuja ilmiöitä. Lisäksi laattatektoniikka pyrkii selvittämään, minkälaisissa olosuhteissa kivet ovat syntyneet ja miten ne ovat muovautuneet. 

Laattojen törmätessä

Maanjäristyksiä tapahtuu laattojen törmätessä toisiinsa. Maanjäristyksen fokus (engl. hypocenter) on siinä kohdassa, missä toisiinsa törmäävät laatat hiertävät ja epikeskus (engl. epicenter) ilmaisee tätä pistettä maan päällä. Maanjäristykset eivät tietenkään tapahdu sattumanvaraisesti, vaan suurin osa niistä sijoittuu nk. maanjäristysvöille (engl. earthquake belts), jotka sijaitsevat laattojen reunoilla. 

Minne laatat vaeltavat

Kaavakuva mantereiden vaeltamisesta. Keskellä syntyy uutta litosfääriä, kun taas reunoilla tapahtuu törmäys, jossa toinen laatta subduktoituu toisen alle. Kuva: Harri Kutvonen/GTK.Geologiassa määritellään kolme erilaista mannerlaattojen reunatyyppiä, jotka perustuvat laattojen keskinäisiin liikkeisiin. Reunaa, jossa laatat erkanevat toisistaan kutsutaan divergentiksi (engl. divergent boundary), reunaa, jossa laatat liikkuvat toisiaan kohti konvergentiksi reunaksi (engl. convergent boundary) ja reunaa, missä laatat liikkuvat sivuttain toisiinsa nähden, transformiseksi rajaksi (engl. transfer boundary).

Laattojen liikkeet ja niiden selkokieliset nimitykset:

  • Divergentti liike = erkaneminen
  • Konvergentti liike = läheneminen
  • Transforminen liike = sivuttainen

Erkaneminen

Divergenttiä liikettä (eli erkanemista) tapahtuu pääosin valtamerten keskiselänteillä. Laattojen erkaantuessa niiden väliin ei kuitenkaan synny valtavaa aukkoa ajan mittaan, vaan uutta merellistä litosfääriä kehittyy sitä mukaa, kun laatat erkanevat ja kuuma, elastinen astenosfääri ”virtaa” ylöspäin tuottaen sulaa kiveä eli magmaa. Uutta litosfäärilaattaa syntyy n. 5cm viikossa.

Erkanemisen periaate valtameren keskiselänteellä. Slab pull tarkoittaa alaspainuvan laatan vetävää vaikutusta. Kuva: USGS.

Muinaisen meren pohjalle purkautunuta basalttista tyynylaavaa, joka on erodoitunut vuosimiljoonien saatossa. Kolikko on sijoitettu tyynyn alaosaan. Kivestä on otettu kaksi näytepalaa laboratorioanalyysejä varten.Kiinteä kivi on tiheämpää kuin sula magma, joten sula kiviaines pääsee nousemaan ylöspäin. Osa magmasta jähmettyy ennen ylöspääsyään muodostaen karkearakista mafista kiveä, jota kutsutaan gabroksi. Osa magmasta nousee ylemmäksi täyttämään laajenemisen yhteydessä syntyneitä rakoja ja juonia. Sen jähmettyessä muodostuu basalttia.

Magmaa saattaa kohota aina merenpohjalle asti, jolloin voi muodostua pieniä merenalaisia tulivuoria. Niistä purkautuvaa merenpohjalle levittäytyvää basalttia kutsutaan tyynylaavaksi. Uutta litosfäärilaattaa syntyy keskimäärin viisi senttimetriä viikossa. 

Eldoretissa Keniassa otettu valokuva Itä-Afrikan hautavajoamasta. Kuvassa näkyy yksi vajoaman repeämislaaksoista. Kuva: Michael Shade.Myös mantereellista erkanemista tapahtuu ja sen tulkinta on monimutkaisempaa kuin merellisen erkanemisen. Tunnetuin esimerkki mantereellisesta erkanemisesta lienevät Itä-Afrikan hautavajoamat, joita leimaavat repeämälaaksot (engl. rift valley), vulkaaninen toiminta ja maanjäristykset. Nämä ilmiöt ovat laajempialaisia kuin merellisen ympäristön repeämärakenteet. Erkanemisen jatkuttua pitkään, mantereiden väliin avautuu riittävä rako, jonne meri pääsee työntymään. Kalifornian lahti on hyvä esimerkki pitkälle edistyneestä mantereiden erkaan-tumisesta.

Laatat lähenevät

Kun kaksi laattaa liikkuu toisiaan kohti, tapahtuu konvergenttia liikettä. Konvergentin liikkeen myötä laatat törmäävät. Törmäyksen yhteydessä voi toinen laatta painua toisen alle eli subduktoitua tai vaihtoehtoisesti laatat kääntyvät ylöspäin. Törmäystilanteessa toinen laatoista on merellinen.

Subduktio: mantereellisen ja merellisen laatan törmäys

Subduktiossa yksi kahdesta laatasta painuu toisen alle niiden kohdatessa. Jos laatoista toinen on mantereellinen ja toinen merellinen, painuu merellinen laatta mantereellisen alle. Tämä johtuu siitä, että niillä on eri tiheys ja merellinen laatta on raskaampi.  Subduktio on hidas prosessi, sillä merellinen litosfääri ”uppoaa” vain 10—15 cm vuodessa. 

Mantereellinen laatta ei kykene subduktoitumaan, sillä se ei ole riittävän tiheä. Näin ollen se jää kellumaan astenosfäärin päälle.  Subduktiosta johtuen merellinen kuori maapallolla on korkeintaan 200 miljoonaa vuotta vanhaa, kun taas mantereellisen kuoren ikä voi olla jopa 3.9 miljardia vuotta.

Wadati-Benioff -vyöhyke. Alkuperäinen piirros: USGS.Subduktion edetessä  alas matkaava laatta ”hiertää” itseään toista laattaa vasten, jolloin syntyy maanjäristyksiä. Maanjäristysten keskukset sijaitsevat painuvan laatan yläosassa, jota nimitetään Wadati—Benioff-vyöhykkeeksi.  Järistykset tapahtuvat lähellä maan pintaa tai alempana kuoressa. Lähellä pintaa tapahtuvat järistykset ovat erittäin tuhoisia.

Konvergentti laatta-asetelma on nähtävissä esim. Etelä-Amerikan länsirannikolla, jossa Nazcan laatta ja Etelä-Amerikan laatta kohtaavat.  Rannikolla mantereellisen laatan puolella kohoavat Andit ja heti niiden vieressä rannikon läheisyydessä on syvänmeren vajoama.

Merellisen ja mantereellisen litosfäärilaatan periaatteellinen törmäyskaavio. Kuva: USGS 2006.Merellinen-merellinen laatta–asetelma tuottaa hautavajoaman

Mantereellisen—merellisen laatan törmäyksen lisäksi tapahtuu myös merellisten laattojen keskinäistä törmäystä. Tällöin tuloksena on pitkä ja verrattain kapea sekä hyvin syvä vajoama, kuten esimerkiksi Mariaanien hautavajoama Tyynellä valtamerellä (syvyys yli 10 km). Kylmän litosfäärin painuessa alas, vapautuu siitä paineen kasvaessa vettä, joka noustessaan aiheuttaa vaipan sulamista ja tuottaa saarikaaria (kaareutunut vulkaanisten saarten ketju) merenpohjaan vajoaman taakse.

Manner-manner törmäyksessä tapahtuu orogenia

Mannerten törmäyksessä subduktio ei tule kyseeseen, koska molemmat laatat ovat keveitä, eivätkä näin ollen kykene painumaan toistensa alle kohti astenosfääriä. Tästä johtuen mantereellisilla törmäysvyöhykkeillä tapahtuu poimuvuoristojen syntymistä. Yleisesti tällaisesta tapahtumasta käytetään nimitystä orogenia. Seisminen toiminta on niin laaja-alaista, ettei yksittäisiä maanjäristyksen alkamiskohtia voida erottaa. Esimerkki mannerten törmäyksestä on Himalaja, jossa Intian, Australian ja Euraasian laatat törmäävät. Orogenia voidaan jakaa törmäysorogeniaan ja akkretationaariseen orogeniaan (engl. accretionary orogen). Törmäysorogeniassa mantereet törmäävät muodostaen vuorijonoja, kuten Alpit tai Himalajan. Akkretationaarisessa orogeniassa saarikaaret ja akkretaatioprismat kerääntyvät yhteen. {mospagebreak title=Liikunnat -- siirtyminen}

Transforminen eli sivuttainen liike

Sen lisäksi, että mannerlaatat voivat erkaantua toisistaan tai työntyä toisiaan kohden, ne voivat myös liukua. Tähän ajatukseen päätyi kanadalainen geofyysikko J. Tuzo Wilson 1960-luvulla. Liukumisen yhteydessä ei synny tai tuhoudu uutta mantereellista tai merellistä kuorta ja liukumista voi tapahtua mantereellisilla ja merellisillä laatoilla. Liukuessaan laatat tuottavat runsaasti maanjäristyksiä. Esimerkki tällaisesta vyöhykkeestä on San Andreasin vajoama Pohjois-Amerikan laatan ja Tyynenmeren laatan rajalla. 

Lähteet

Tämän tekstin (kaikki sivut) lähteinä käytettiin:

Franklin, B. 1782: The Papers of Benjamin Franklin, vol. 38. Yale University Press (2006). USA.

Lehtinen, M., Nurmi, P. ja Rämö, T. 1998: Suomen kallioperä: 3000 vuosimiljoonaa. Suomen geologinen seura. Helsinki.

Marshak, S. 2004: Earth: portrait of a planet, 2nd ed. W.W Norton and Company. USA.

Raymond, L. A. 2002: Petrology: The study of igneous, sedimentary and metamorphic rocks, 2nd ed. McGraw-Hill Companies. USA.

Press, F., Siever, R., Grotzinger, J. ja Jordan, T.H. 2003: Understanding Earth, 4th ed. W.H. Freeman and Company. USA.

Windley, B. F. 1995: The Evolving Continents, 3rd ed. John Wiley & Sons Ltd. Iso-Britannia.

Wegener, A. 1929: Die Entstehung der Kontinente und Ozeane, Vierte Auflage. Einzeldarstellungen aus der Naturwissenschaft und der Technik. BD. 66: 1-4.