Geologiset repeämämallit

Siirry suoraan malliin Johdanto repeämämalleihin
Viimeisten 600 miljoonan vuoden aikana Pohjois-Amerikan itärannikko on kokenut kaksi repeämistapahtumaa eli kahden valtameri-altaan avautumisen: Proto-Atlantin (C-vaihe) ja Atlantin (L-vaihe). Tätä ennen on todennäköisesti tapahtunut muitakin repeämiä. Virginiassa ja Keski-Atlantin alueella on hyvät todisteet näistä repeämistä, vaikka ne ovatkin hajanaisia ja joskus myöhempien tapahtumien peittämiä.
Suurten geologisten tapahtumien löytäminen ja selvittäminen edellyttää teoreettista mallia siitä, miten nämä tapahtumat tapahtuvat ja millaisia kivilajeja ja rakenteita ne synnyttävät, jotta tunnistamme todistusaineiston sellaiseksi kuin se on, kun näemme sen, vaikka se olisikin hajanaista ja peitettyä. Nykyaikaiset mallit rifting-tapahtumista perustuvat monenlaiseen tietoon, joka ulottuu geofysikaalisista, nykyaikaisista tapahtumista saatuihin todisteisiin ja muinaisista tapahtumista saatuihin todisteisiin. Näissä malleissa määritetään paitsi tapahtumien järjestys ja ajoitus, myös kerrotaan tarkalleen, mitä todisteita tarvitaan muinaisen repeämätapahtuman tunnistamiseksi.
On tietysti mukavaa saada mahdollisimman paljon todisteita, mutta joskus jos on vain vähän oikeaa todistusaineistoa, joka sopii yksiselitteisesti teoreettiseen malliin, muinainen tapahtuma voidaan tunnistaa siksi, mikä se on, ja rekonstruoida. Lisäksi teoreettinen malli kertoo, mitä muita todisteita on etsittävä ja mistä, jotta tulkintaa voidaan vahvistaa.
Joskus meillä on ajatus, että tiedemiehet vain lähtevät keräämään todisteita parhaansa mukaan ja yrittävät sitten saada niistä parhaansa mukaan tolkkua. Näin ei ole koskaan. Tutkijoilla on aina melko hyvä käsitys siitä, mitä he etsivät kerätessään tietoa, koska heillä on teoria (malli), joka kertoo heille, mitä etsiä. Ja jos he löytävät todisteita, jotka eivät sovi heidän teoriaansa, on hyvin todennäköistä, että heidän teoriansa on väärä, ja on keksittävä uusi teoria.
Lopputulos on, että puolueetonta havaintoa ei ole olemassa. Tiedämme aina, mitä haluamme ja toivomme löytävämme luonnosta, vaikka saatammekin järkyttyä tai olla iloisesti yllättyneitä löytäessämme jotain erilaista.
Virginian geologisen historian (16-sivuinen versio) voi lukea tuntematta malleja, joita meillä on selittääksemme ja saadaksemme siitä tolkkua, mutta historia on paljon mielekkäämpää, jos tietää, että mallit ovat olemassa, ja mitä ne sanovat. On kuitenkin tärkeää muistaa, että malli on vain malli, synteesi, keskiarvo, ihanne. Luonnonvarainen maailma harvoin vastaa mallia täydellisesti, ja meidän on oltava valmiita työskentelemään tietynlaisen poikkeaman kanssa mallista.

Mantle Plumes and Hot Spots
Divergenttistä laattarajapintaa, jossa kaksi litosfäärilaattaa eroaa toisistaan muodostaen valtameri-altaan, ei ole luonnossa olemassa. Se syntyy repeytymisprosessissa (vaiheet B ja C). Täysin kehittyneinä divergentit laattarajat sijaitsevat aina valtameren altaiden sisällä ja synnyttävät niitä. Levyjen erkaantuessa mafista magmaa tihkuu alla olevasta vaipasta halkeamaan tai repeämään, joka aukeaa muodostaen uutta valtamerellistä litosfääriä, ofioliittijoukkoa. Tässä repeytymismallissa emme ole kiinnostuneita prosesseista, jotka tapahtuvat täysin kehittyneen valtamerellisen divergentin marginaalin varrella. Sen sijaan tarkastelemme sitä, miten divergenssirajat syntyvät ensimmäisen kerran mantereen repeytymisen aikana.
Divergenssilevyraja saa alkunsa jossakin levyn sisällä, kaukana reunoista. Laatta voi olla mannerlaatan lohko tai osa valtameren altaasta (poikkileikkaus). Kun repeytyminen on päättynyt, on syntynyt uusi divergentti laattaraja ja uusi valtameren allas. Entinen yksittäinen levy (tai manner) jakautuu kahdeksi levyksi (tai mantereeksi).
Rifting saa alkunsa syvältä vaipasta kohti pintaa nousevista magmapilareista. Plummeja on jakautunut satunnaisesti maapallolle; useimmat nousevat mantereen tai valtameren altaan alta, mutta joitakin voi olla laattojen rajoilla. Kun magmapilvi nousee kohti pintaa, se lämmittää sen yläpuolella olevaa litosfääriä eli maan jäykkää ulkokuorta, mikä saa sen paisumaan ylöspäin ja synnyttää kuuman pisteen. Yleensä magma pääsee pintaan ja aiheuttaa tulivuorenpurkauksia kuumassa pisteessä. Yllä olevassa poikkileikkauksessa näkyy sekä mannermainen että valtamerellinen kuuma piste.
Kuumeita pisteitä aiheuttavat juonet ovat vaipassa paikallaan; toisin kuin yläpuoliset laatat, jotka liikkuvat jatkuvasti, juonet eivät liiku. Näin ollen mannerlaatan liikkuessa kuuman pisteen poikki tektoninen ja vulkaaninen toiminta pinnalla muuttuu jatkuvasti. Lopulta voi muodostua pitkä sarja tulivuoria. Havaijin saaret ovat esimerkki valtamerellisestä kuumasta pisteestä ja Yellowstonen puisto mannermaisesta kuumasta pisteestä.
Kuumista pisteistä on monia muinaisia ja nykyaikaisia esimerkkejä. Useimmat ovat eristyneitä ja käyvät läpi koko historiansa käynnistämättä repeämiä. Joskus kuitenkin useat kuumat kohdat yhdistyvät ja aloittavat prosessien ketjun, jonka tuloksena syntyy repeämä, uusi valtameriallas ja uusi divergentti laattaraja. Tästä vastuussa olevia prosesseja kuvataan jäljempänä neljässä seuraavassa vaiheessa.

Hot Spot ja Thermal Doming
Kun vaippapilvi saavuttaa mantereisen litosfäärin pohjan, se leviää ja luo magmalammen (ks. poikkileikkaus edellä). Yläpuolinen litosfääri kuumenee ja paisuu ylöspäin muodostaen kuuman pisteen, jonka halkaisija on noin 1000 km ja korkeus 3-4 km merenpinnan yläpuolella. Oikealla oikealla olevassa kartassa on alueellinen (lentokoneen) näkymä kahdesta kuumasta pisteestä, joissa on kolminkertaiset yhtymäkohdat.
Kun kuuman pisteen kupoli paisuu, sen yläpinta venyy, kunnes hauras kuori halkeilee (repeytyy) pitkin sarjaa kolmea kuuman pisteen keskipisteestä säteittäisesti poispäin suuntautuvaa repeämälaaksoa. Nämä kolme repeämälaaksoa muodostavat kolminkertaisen risteyksen. Ihannetapauksessa kolme repeämälaaksoa lähtevät kuuman pisteen keskipisteestä säteittäisesti 120o:n kulmassa, mutta usein kolminkertainen risteys ei ole symmetrinen, vaan haarat voivat poiketa toisistaan oudoissa kulmissa.
Mantelipilven lämpö aiheuttaa paljon tulivuoritoimintaa, mutta sitä on kahdenlaista. Mafisen magman (basalttia ja gabroa) putket lammikoituneesta plummista työskentelevät tiensä litosfäärin läpi muodostaen lopulta tulivuoria pinnalla. Plumenin lämpö lämmittää kuitenkin myös mantereen pohjaa, mikä saa osan siitä sulamaan ja muodostamaan felsistä magmaa (graniittia ja rhyoliittia), joka voi myös nousta pintaan ja muodostaa tulivuoria. Sekä mafisen että felsisen magman samanaikainen esiintyminen on epätavallista, ja sitä kutsutaan bimodaaliseksi assosiaatioksi, koska kaksi selvästi erilaista magmatyyppiä syntyy enemmän tai vähemmän samanaikaisesti. Alla oleva poikkileikkaus on suurennos oikealla olevan kartan poikkileikkauslinjaa A-B pitkin, ja siinä näkyy paisunut hot spot -vaihe, jossa on mafinen (basalttinen) tulivuori ja felsisiä (graniittisia) batoliitteja. Huomaa myös pinnan läheisyydessä olevat viat ja varhaiset horstit ja grabenit.

Yksittäinen kuuma piste voi käydä läpi kaikki nämä prosessit, . . . ja sitten vain kuolla. Mantelipilvi haihtuu, manner jäähtyy ja vajoaa uudelleen, vulkaaninen toiminta loppuu, ja sedimentit täyttävät repeämälaaksot. Lopulta pinnalla ei näkyisi mitään, mikä viittaisi siihen, että repeämät ja tulivuoret olisivat hautautuneet pinnan alle.
Toisissa tilanteissa, joissa useat kuumat kohdat ovat läheisessä yhteydessä toisiinsa, ne voivat yhdistyä muodostaen hyvin pitkän repeämälaakson. Esimerkiksi yllä olevassa kartassa näkyy kaksi kolmoishalkeamaa, jotka ovat liittymässä yhteen. Jos olosuhteet ovat oikeat, nämä voivat sitten käynnistää uusien divergenttien mannerlaattojen rajojen ja valtameren altaan muodostumisen (jota käsitellään jäljempänä).

Kun kolminkertaiset yhtymäkohdat yhtyvät, vain kaksi kunkin kolminkertaisen yhtymäkohdan kolmesta haarasta yhdistyy viereisiin kuumiin pisteisiin. Kolmannesta haarasta tulee inaktiivinen, ja sitä kutsutaan siksi epäonnistuneeksi haaraksi (tai aulakogeeniksi) (sininen yllä olevassa kartassa). Kun repeytyminen on päättynyt ja uusi valtameren allas on muodostunut, aulakogeenit ovat olemassa kuin maanosaan lähes suorassa kulmassa reunasta leikkautuva viilto. Monia muinaisia aulakogeeneja tunnetaan, vaikka useimmat niistä ovatkin täyttyneet sedimentillä, eikä niitä voi havaita pinnalla. Ne ovat hyvä todiste siitä, että kuuma piste on joskus ollut olemassa. Aulakogeenin täyttävät sedimentit ja vulkaniitit ovat samankaltaisia kuin aktiivisissa repeämissä toimivat prosessit.
Halkeamien perustaminen ja meren invaasio
Halkeamien perustaminen on maapallon pinnan osan romahtaminen alaspäin niin, että syntyy painauma. Aksiaaliset repeämät ovat perustuksia, joiden läpimitta on tyypillisesti kymmeniä kilometrejä ja joiden korkeus repeämän pohjasta kummallakin puolella oleviin vuorenhuippuihin on jopa 4-5 km.

Rakenteellisesti halkeamalaaksot ovat lohkareiden aiheuttamia grabeja (laaksoja, jotka syntyvät, kun maan lohkare vajoaa), joita reunustavat molemmin puolin horstivuoret (horstit ovat maan lohkareet, jotka liikkuvat ylöspäin grabeniin nähden.) Jos ajattelemme kuuman paikan mekaniikkaa, maa paisuu ylöspäin, mikä saa sen venymään tai vetäytymään erilleen yläreunastaan. Kun maa vetäytyy erilleen, se halkeilee ja jättää tilaa, joten luonnollisesti maan lohkare liukuu alas tuohon tilaan (grabeniin). Se osa, joka ei liu’u alas, eli horst, on nyt korkeammalla. Koska maa on jo paisunut ylöspäin kuuman pisteen myötä, horstien ei tarvitse liikkua ylöspäin, mutta grabenin on helppo liukua alaspäin. Tämä prosessi tapahtuu kymmenissä tuhansissa pienissä vaiheissa, joista jokainen synnyttää pienen halkeaman, jonka yhteenlaskettu summa venyttää maata monien kilometrien päähän toisistaan.
Horstien ja grabenien väliset ruhjeet ovat normaaleja ruhjeita, normaaleja siksi, että on ”normaalia”, että graben putoaa alas painovoiman vaikutuksesta. Murtumapinnat ovat kaarevia niin, että graben-lohkareet pyörivät vajotessaan, jolloin ne vangitsevat pieniä altaita, joissa järviä muodostuu alas vajonneen murtolohkon ja murtuman takana olevan seinämän väliin. Monet järvistä ovat hyvin syviä, ja nykyisten repeämäjärvien perusteella ne voivat olla erittäin suolaisia tai emäksisiä. Järvien pohjiin kerääntyy mustaa, runsaasti orgaanista ainesta sisältävää savea, koska syvässä vedessä ei ole kiertoa eikä happea.

Tyypillisesti muodostuu suuri määrä kaikenkokoisia horsteja ja grabeja. Aksiaalista grabenia reunustavien suurten horstien reunat ovat mannerterasseja (joita kutsutaan myös saranavyöhykkeiksi). Suuren aksiaalisen grabenin sisällä on lukuisia pienempiä horsteja ja grabeja.
Tyypillistä on myös, että aksiaalisen grabenin tai aksiaalisen repeämän (termit ovat keskenään vaihdettavissa) molemmin puolin muodostuu useita satoja kilometrejä pienempiä puoligrabeja (normaali repeämä vain toisella puolella).
Aluksi aksiaalisen laakson pohja on subareaalinen eli veden yläpuolella (järviä lukuun ottamatta), mutta aksiaalisen grabenin madaltuessa meri tunkeutuu sinne muodostaen kapean merialtaan (tehden siitä vedenalaisen). Nykyaikainen esimerkki tässä vaiheessa olevasta repeämästä on Punainenmeri.
Riffilaaksoja reunustavat horstivuoriston ylängöt koostuvat felsisistä magneettisista mannermaakivistä (graniiteista), jotka rapautuvat nopeasti karkeiksi arkoosisiksi (runsaasti maasälpää sisältäviksi) sedimenteiksi. Suurin osa sedimenteistä on kerrostunut lyhyissä järjestelmissä, joissa ympäristö vaihtuu nopeasti maanpäällisestä syvänmeren ympäristöön. Sedimentit kerääntyvät altaan reunojen ympärille, rikkonaisuuksien juurelle, jyrkkärinteisiin alluviaalisiin viuhkoihin, jotka muuttuvat nopeasti punotuiksi joiksi ja laskeutuvat sitten merenalaisiksi viuhkoiksi. Altaan keskusta on usein syvä ja anoksinen, ja sinne kerrostuu ohutkerroksisia mustia savia ja silttimassoja. Tässä vaiheessa sedimenttiä voi kertyä tuhansia metrejä.
Igneettinen toiminta on hyvin yleistä tämän vaiheen aikana, ja sedimenttien joukkoon voi kerrostua vulkaanisia ja laavavirtoja, joskus mafisia, joskus felsisiä. Vulkaniitit voivat olla pyroklastisia (räjähtävien tulivuorten räjäyttämiä) tai hiljaisempia virtoja. Virtaukset voivat kuitenkin kerääntyä tuhansia metrejä paksuiksi. Veden alta muodostuvat tyynybasaltit eivät ole epätavallista.
Geologisesti lyhyessä ajassa (~ 10 miljoonaa vuotta) horstit erodoituvat ja graben täyttyy sedimentillä. Kun entinen suuri kohouma (korkeusero) pienenee, topografia tasoittuu, ja valtameri alkaa peittää aluetta.
Early Divergent Margin

Aktiivisen riftingin aikana mantereen kuori, jota manttelipilvi lämmittää, venyy kuin vedetty taffy (tai silly putty) ja ohenee, kun taas hauraat ylemmät kerrostumat murtuvat ja hajoavat ja kaatuvat muodostaen aksiaalisen reunarajoituksen. Vyöryn lämpö pitää koko prosessia pystyssä, ja mafinen magma on paljon lähempänä pintaa, mikä helpottaa sen purkautumista. Tämä on hyvin epävakaa tilanne (koko järjestelmä romahtaisi nopeasti, jos lämpö poistettaisiin), ja jatkuvat prosessit vain tekevät siitä yhä epävakaamman.

Tuloksena on, että pian sen jälkeen, kun meri tulvii aksiaalisen repeämän, aksiaalisen repeämän toisella puolella alkaa suuri mafisen vulkaanisen toiminnan vyöry. Magma ruiskutetaan aluksi graniittiseen mannerkuoreen lukemattomina basalttijuovina. Niitä muodostuu niin paljon, että on vaikea päätellä, mitä kiviaineksia ne alun perin olivat. Tämä graniitin ja ruiskutetun basaltin seos on siirtymäkuorta, koska se on siirtymävaihe mannermaan ja valtameren kuoren välillä (ks. piirros yllä). Tämä on alku alkuperäisen mantereen lopulliselle jakautumiselle kahtia ja uuden merialtaan muodostumiselle.
Tulivuoritoiminnan jatkuessa kahden uuden toisistaan eroavan mannerreunuksen välinen kuilu laajenee niiden erotessa toisistaan, ja valtamerellisen litosfäärin muodostuminen alkaa. Magmavyöry toisensa jälkeen nousee vasta muodostuneesta konvektiosolusta ja ruiskutetaan avautuvaan aukkoon. Koska tämä uusi magmakivi on koostumukseltaan mafista (basalttia lähellä pintaa ja gabroa syvällä) ja tiheydeltään suurta, se ”kelluu” merenpinnan alapuolella olevassa vaipassa. Näin syntyy uusi valtamerellinen litosfääri, jota kutsutaan ofioliittisviitiksi. Kun keskimääräinen repeämisnopeus on noin 5 cm/vuosi, kaksi uutta divergenttiä mannerreunaa voi olla 20 miljoonassa vuodessa tuhannen kilometrin päässä toisistaan.
Repeämisprosessissa aksiaalinen repeämä ei jakaannu kahtia. Merenkuoren syntyminen tapahtuu aksiaalisen repeämän jommallakummalla puolella. Toinen manner säilyttää aksiaalisen grabenin ja toinen menettää sen. Tuloksena on uusien mannerrajojen epäsymmetria. Aksiaalisen repeämän reunalla on taipumus siirtyä asteittain valtamerikuoreen, joka ylittää aksiaalisen repeämän pienine horsteineen ja grabeineen. Manner, jolla ei ole aksiaalista grabenia, putoaa jyrkästi valtameren kuoreen. Mallimme seuraa aksiaalisen grabenin puolta lännessä (vasemmalla).
Konvektiosolusta pintaan nouseva lämpö ja magma pysyy keskittyneenä repeytymiskohtaan uuden valtameren altaan keskellä. Kun valtameriallas laajenee, vasta muodostuneet mannerreunat siirtyvät poispäin lämmönlähteestä ja jäähtyvät. Jäähtynyt maankuori on tiiviimpää kuin lämmin maankuori, ja pian mannerjyrkänne vajoaa merenpinnan alapuolelle. Nämä alkuvaiheet ovat nopeimman jäähtymisen ja vajoamisen aikaa.
Kun valtamerenkuoren muodostuminen on jo pitkällä, aksiaaliset ja lateraaliset grabenit ovat lähes täynnä sedimenttiä. Kun uusi mannerjyrkänne vajoaa, suhteellinen merenpinta nousee, ja rantaviiva alkaa siirtyä tai vaeltaa mannerjyrkänteen poikki. Meren ylitys levittää puhdasta kvartsihiekkaa koko aluetta peittävänä rantakerrostumana. Kvartsihiekka on ensimmäinen selkeä todiste kallioperässä siitä, että mannerterassi on vajonnut merenpinnan alapuolelle ja on vakiintumassa.
Meren siirtyessä syvemmälle meri syvenee ja ranta väistyy rannan läheisen hyllyympäristön tieltä, joka muuttuu sitten syväksi hyllyympäristöksi. Tämä laskeuma synnyttää nopeasti mereen päin paksuuntuvan divergentin mannerjalustan (DCM) kerrostumien kiilan, jossa on hylly, rinne ja nousu (ks. poikkileikkaus yllä).
Täydellinen divergenttinen mannerjalusta

Lämpöhajoamisen (lämpöhäviökuoren lämpöhäviö ja siitä johtuva tiheyden lisääntyminen) aiheuttama vajoaminen on aluksi nopeaa, mutta se pienenee eksponentiaalisesti ajan myötä. Divergenttien mannerrajojen vakauden (isostaattisen tasapainon) saavuttaminen kestää noin 120 miljoonaa vuotta. Sedimentti kerääntyy koko tämän ajan, ja se on paksuimmillaan kohti valtamerta, jossa vajoaminen on suurinta, ja ohenee kohti mannerta. Lopulta syntyy sedimenttikiila, jonka paksuus on suurimmillaan 17 kilometriä. Huomatkaa poikkileikkauksessa, että tulivuori, joka hot spot -vaiheessa oli merenpinnan yläpuolella, on nyt hyvin syvällä maan sisällä.
Divergenttiselle mannerlaidalle kerrostunut sedimentti pysyy enimmäkseen matalavetisenä merellisenä, koska vajoaminen ja laskeutuminen jatkuvat suunnilleen samaa tahtia. Lämpimässä ilmastossa vakaan kraatonin vieressä nämä voivat olla enimmäkseen karbonaatteja (kalkkikiviä ja dolomiitteja), muuten ne ovat hiekkakiviä ja liuskekiviä. Jos mannerjyrkänne vakiintuu ennen kuin jotain muuta tapahtuu, sedimentti vain jatkaa kerääntymistään, mutta nyt se rakentuu (progradoituu) merenpohjan päälle.
Tämä repeytymisen loppuvaihe jatkuu loputtomiin tai kunnes jokin muu tektoninen tapahtuma tunkeutuu ja tuhoaa hiljaisen divergentin marginaalin.
Siirry vuorten rakennemalleihin
Palaa etusivulle
Jatka sivulle A Descriptive Record of Virginia Geology
Jatka sivulle Yhden sivun historia, Kahden sivun historia, 16 sivun historia