Geologiska modeller för sprickbildning

Gå direkt till modellen Introduktion till modeller för sprickbildning
Under de senaste 600 miljoner åren har Nordamerikas östkust upplevt två sprickbildningar, det vill säga öppnandet av två havsbassänger: Proto-Atlantiska (steg C) och Atlantiska (steg L). Före detta har det troligen förekommit andra riftinghändelser. Virginia och den mellanatlantiska regionen har ett bra register över dessa sprickbildningar, även om de är fragmentariska och ibland maskerade av senare händelser.
För att upptäcka och avslöja större geologiska händelser krävs det att man har en teoretisk modell för hur dessa händelser inträffar och vilka typer av bergarter och strukturer de genererar, så att vi kan känna igen bevisen för vad de är när vi ser dem, även om de är fragmentariska och maskerade. Moderna modeller för riftinghändelser är baserade på en mängd olika typer av information, från geofysisk information till bevis för moderna händelser och bevis för gamla händelser. Dessa modeller anger inte bara händelseförloppet och tidpunkten för händelserna, utan talar också om exakt vilka bevis som behövs för att identifiera en forntida riftinghändelse.
Det är naturligtvis trevligt att ha så många bevis som möjligt, men ibland, om man bara har en liten del av de rätta bevisen som entydigt passar in i den teoretiska modellen, kan den forntida händelsen erkännas för vad den är och rekonstrueras. Dessutom talar den teoretiska modellen om vilka ytterligare bevis man ska leta efter, och var, för att stärka tolkningen.
Ibland har vi en föreställning om att vetenskapsmännen bara går ut och samlar bevis så gott de kan och sedan försöker förstå dem, så gott de kan. Så är aldrig fallet. Forskare har alltid en ganska god uppfattning om vad de letar efter när de samlar in data, eftersom de har en teori (en modell) som talar om för dem vad de ska leta efter. Om de hittar bevis som inte stämmer överens med deras teori är sannolikheten stor att deras teori är felaktig och att en ny teori måste utarbetas.
Slutsatsen är att det inte finns något sådant som en opartisk observation. Vi vet alltid vad vi vill och hoppas hitta i naturen, även om vi kan bli chockade, eller positivt överraskade, om vi hittar något annat.
Det är möjligt att läsa Virginias geologiska historia (16-sidig version) utan att känna till de modeller som vi har för att förklara och ge mening åt den, men historien är mycket mer meningsfull om man vet att modellerna finns och vad de säger. Det är dock viktigt att komma ihåg att en modell bara är en modell, en syntes, ett genomsnitt, ett ideal. Naturen matchar sällan en modell perfekt och vi måste vara beredda att arbeta med en viss avvikelse från modellen.

Mantle Plumes and Hot Spots
En divergent plattgräns, där två litosfäriska plattor separerar för att skapa en havsbassäng, existerar inte naturligt. Den skapas genom en riftingprocess (steg B och C). När divergerande plattgränser är fullt utvecklade är de alltid belägna inom och skapar havsbassänger. När plattorna skiljer sig åt sipprar mafisk magma upp från manteln undertill i sprickan eller sprickan som öppnas för att bilda ny oceanisk litosfär, ophiolitsviten. I denna riftingmodell är vi inte intresserade av de processer som sker längs en fullt utvecklad oceanisk divergerande marginal. I stället tittar vi på hur divergerande gränser först skapas under en kontinents rifting.
En divergent plattgräns börjar någonstans inom en platta, bort från kanterna. Plattan kan vara ett block av kontinental kraton eller en del av en havsbassäng (tvärsnitt). När riftningen är avslutad har en ny divergent plattgräns och en ny havsbassäng skapats. Den tidigare enda plattan (eller kontinenten) delas upp i två plattor (eller kontinenter).
Rifting initieras av magmaplymer som stiger upp från djupet i manteln mot ytan. Plumparna är slumpmässigt fördelade över jorden; de flesta uppstår under en kontinent eller havsbassäng, men några kan finnas vid plattgränserna. När plymen stiger upp mot ytan värmer den upp den överliggande litosfären, eller jordens styva yttre skal, vilket gör att den sväller uppåt och skapar en het punkt. Vanligtvis når magma upp till ytan och orsakar vulkaner vid den heta punkten. Tvärsnittet ovan visar både en kontinental och en oceanisk hot spot.
Plågorna som orsakar hot spots är stationära i manteln; till skillnad från de överliggande plattorna som förskjuts kontinuerligt rör sig inte plågorna. När en platta rör sig över en varm fläck förflyttas därför den tektoniska och vulkaniska aktiviteten på ytan hela tiden. Så småningom kan en lång rad vulkaner bildas. De hawaiiska öarna är ett exempel på en oceanisk hot spot och Yellowstone Park en kontinental hot spot.
Det finns många gamla och moderna exempel på hot spots. De flesta är isolerade och går igenom hela sin historia utan att initiera en riftinghändelse. Ibland förenas dock flera heta punkter och påbörjar en kedja av processer som resulterar i en rifting, en ny havsbassäng och en ny divergerande plattagräns. De processer som är ansvariga för detta beskrivs nedan i de fyra följande stegen.
Hot Spot och Thermal Doming
När en mantelplym når basen av den kontinentala litosfären breder den ut sig och skapar en damm av magma (se tvärsnittet ovan). Den överliggande litosfären värms upp och sväller uppåt för att bilda den heta fläcken, som är cirka 1000 km i diameter och 3-4 km över havsnivån. Kartan till höger visar en arealvy (flygplansvy) av två hot spots med trippelförbindelser.

När hot spot-kupolen sväller sträcker sig dess övre yta tills den spröda jordskorpan spricker (faults) längs en serie av tre sprickdalar som strålar bort från hot spot-centret. Dessa tre sprickdalar utgör en trippelkorsning. I idealfallet strålar de tre sprickdalarna från centrum av den heta fläcken i 120o, men ofta är den tredubbla korsningen inte symmetrisk och armarna kan avvika i udda vinklar.
Värmen från mantelplymen orsakar mycket vulkanisk aktivitet, men den är av två slag. Rör av mafisk magma (basalt och gabbro) från mantelplymen arbetar sig genom litosfären och bildar så småningom vulkaner vid ytan. Men värmen från plymen värmer också upp kontinentens bas, vilket gör att delar av den smälter och bildar felsisk magma (granit och rhyolit), som också kan nå upp till ytan och bilda vulkaner. Denna samtidiga uppkomst av både mafisk och felsisk magma är ovanlig och kallas för en bimodal förening eftersom två markant olika magmatyper utplaceras mer eller mindre samtidigt. Tvärsnittet nedan är en förstoring längs tvärsnittslinjen A-B på kartan till höger och visar det svullna hot spot-stadiet med en mafisk (basaltisk) vulkan och felsiska (granitiska) batholiter. Observera också förskjutningarna nära ytan och de tidiga horsterna och graben.

En isolerad hot spot kan genomgå alla dessa processer, . . . och sedan bara dö. Mantelplymen försvinner, kontinenten svalnar och sjunker igen, den vulkaniska aktiviteten upphör och sediment fylls i sprickdalarna. I slutet skulle ingenting vara synligt på ytan som tyder på att sprickorna och vulkanerna ligger begravda under ytan.
I andra situationer, när flera heta punkter är nära förbundna, kan de dock förenas och bilda en mycket lång sprickdal. Kartan ovan visar till exempel två trippelknutar som är på väg att förenas. Om förhållandena är de rätta kan dessa då initiera bildandet av nya divergerande plattgränser och en havsbassäng (diskuteras nedan).
När trippelförgreningar förenas är det bara två av de tre armarna på varje trippelförgrening som ansluter till intilliggande heta punkter. Den tredje armen blir inaktiv och kallas därför en misslyckad arm (eller en aulacogen) (blått på kartan ovan). När riftningen är avslutad och en ny havsbassäng bildas finns aulacogenerna kvar som en klyfta som skär in i kontinenten nästan i rät vinkel från kanten. Många gamla aulacogener är kända, även om de flesta nu har fyllts med sediment och inte kan observeras vid ytan. De är ett bra bevis på att det en gång funnits en het punkt. Sedimentet och vulkanikerna som fyller en aulacogen liknar de processer som verkar i de aktiva sprickorna.

Fördjupning av sprickdalen och marin invasion
Fördjupning är kollapsen av en del av jordens yta nedåt för att bilda en sänka. Axiala rifts är grundläggningar som vanligtvis är tiotals kilometer breda, med förhöjningar från riftbotten till bergskammarna på vardera sidan på upp till 4-5 km.

Strukturellt sett är sprickdalar blockfelgrabbar (dalar som skapas när ett jordblock sjunker), avgränsade av horstberg på vardera sidan (horster är jordblock som rör sig uppåt i förhållande till graben.) Om vi tänker på mekaniken i en heta fläck sväller jorden uppåt, vilket gör att den sträcker sig eller drar sig isär över toppen. När jorden drar sig isär spricker den och lämnar utrymme, så naturligt kommer ett jordblock att glida ner i utrymmet (graben). Den del som inte glider ner, horsten, ligger nu högre. Eftersom jorden redan har svällt uppåt med den heta fläcken är det inte nödvändigt att horsten rör sig uppåt, men det är lätt för graben att glida neråt. Denna process sker i tiotusentals små steg, som var och en skapar en liten spricka, vars summa sträcker jorden åtskilda många kilometer.
Felskiktet mellan horsterna och graben är normala fel, normala eftersom det är ”normalt” att en graben faller ner under gravitationen. Förkastningsytorna är krökta så att grabenblocken roterar när de sjunker ner och fångar upp små bassänger där sjöar bildas mellan det nedförskjutna blocket och väggen bakom förkastningen. Många av sjöarna är mycket djupa och kan, baserat på moderna riftsjöar, vara extremt salta eller alkaliska. I sjöbottnarna ansamlas svart, organisk rik lera eftersom det inte finns någon cirkulation eller syre i det djupa vattnet.
Typiskt sett bildas ett stort antal horstar och graben, av alla storlekar. Kanterna på de större horsterna som gränsar till den axiella graben är de kontinentala terrasserna (även kallade gångjärnszoner). Innanför den stora axiella graven finns många mindre horstar och graben.
Det är också typiskt att mindre halva graben (normalförkastningar på endast en sida) bildas i flera hundra kilometer på vardera sidan av den axiella graben eller axiella sprickan (termerna är utbytbara).
Initialt är den axiala dalbotten subareal, det vill säga ovanför vatten (med undantag för sjöar), men när den axiala graven sjunker ner invaderar havet och skapar en smal marin bassäng (vilket gör den subaqueös). Ett modernt exempel på en rift i detta skede är Röda havet.
De horstbergshögland som gränsar till riftdalarna består av felsiska magmatiska kontinentala bergarter (graniter) som eroderar snabbt till grova arkosiska (fältspatrika) sediment. De flesta av sedimenten avlagras i korta system där miljöerna snabbt förändras från terrestrisk till djuphavsmiljö. Runt om bassängkanterna, vid basen av förkastningarna, ackumuleras sedimenten i branta alluviala fläktar som snabbt övergår till flätande floder och sedan dumpas i undervattensfläktar. Bassängens centrum är ofta djupt och anoxiskt, och tunnt laminerad svart lera och silt avlagras. Tusentals meter sediment kan ackumuleras under detta skede.

Gneolitisk aktivitet är mycket vanlig under detta skede, och vulkaniska ämnen och lavaflöden, ibland mafiska, ibland felsiska, kan lägga sig i lager med sedimenten. Vulkanerna kan vara pyroklastiska (sprängningar från exploderande vulkaner) eller lugnare flöden. Flödena kan dock vara tusentals meter tjocka. Kuddbasalter som bildas under vatten är inte ovanliga.
Under en geologiskt sett kort tid (~ 10 miljoner år) eroderas horsten och graben fylls med sediment. När den tidigare stora reliefen (höjdskillnaden) minskar jämnas topografin ut, och havet börjar täcka regionen.
Främre divergerande marginal

Under aktiv rifting sträcker sig kontinentalskorpan, som värms upp av mantelplymen, som dragit taffy (eller silly putty) och blir tunnare, medan de spröda övre skikten förkastar sig och grundstöter för att bilda den axiala sprickan. Allt hålls uppe av värmen från plymen, och den mafiska magma som samlas i en damm är mycket närmare ytan, vilket gör det lättare att få ett utbrott. Detta är en mycket instabil situation (hela systemet skulle snabbt kollapsa om värmen försvann), och de fortsatta processerna gör den bara mer och mer instabil.
Som ett resultat av detta börjar strax efter det att havet översvämmat den axiala sprickan en stor våg av mafisk vulkanisk aktivitet längs den ena sidan av den axiala sprickan. Magman injiceras först i den granitiska kontinentalskorpan som oräkneliga basaltiska diken. Det bildas så många diken att det är svårt att avgöra vad de ursprungliga bergarterna var. Denna blandning av granit och injicerad basalt är övergångsskorpa, eftersom den utgör en övergång mellan kontinental och oceanisk skorpa (se ritningen ovan). Detta är början på den slutliga uppdelningen av den ursprungliga kontinenten i två delar och bildandet av en ny havsbassäng.
När den vulkaniska aktiviteten fortsätter vidgas klyftan mellan de två nya divergerande kontinentala marginalerna när de skiljs åt, och bildandet av den oceaniska litosfären börjar. Våg efter våg av magma stiger upp från en nybildad konvektionscell och sprutar in i den öppna klyftan. Eftersom denna nya magmatiska sten har mafisk sammansättning (basalt nära ytan och gabbro på djupet) och hög densitet ”flyter” den på den underliggande manteln under havsnivån. Detta skapar den nya oceaniska litosfären, som kallas ophiolitsviten. Vid en genomsnittlig riftinghastighet på cirka 5 cm/år kan de två nya divergerande kontinentala marginalerna vara tusen kilometer från varandra om 20 miljoner år.
I riftingprocessen delas inte den axiella riftningen i två delar. Initiering av havsskorpan sker på den ena eller andra sidan av den axiella sprickan. Den ena kontinenten behåller den axiella graven och den andra förlorar den. Resultatet är en asymmetri för de nya kontinentala marginalerna. Marginalen med den axiella sprickan tenderar att ha en gradvis övergång till oceanisk skorpa, genom att gå över den axiella sprickan med dess mindre horster och graben. Kontinenten utan axialgraven faller brant ner till oceanisk skorpa. Vår modell följer den axiella graben-sidan i väster (vänster).

Värme och magma som stiger upp till ytan från konvektionscellen förblir koncentrerade på riftingplatsen i det nya havsbassängcentret. När havsbäckenet vidgas rör sig de nybildade kontinentala marginalerna bort från värmekällan och svalnar. Kall skorpa är tätare än varm skorpa och snart sjunker kontinentalterrassen ner under havsnivån. I dessa tidiga skeden sker den snabbaste avkylningen och sänkningen.
När bildandet av oceanskorpan är väl igång är de axiella och laterala graben nästan fyllda med sediment. När den nya kontinentala marginalen sänks stiger den relativa havsnivån, och kustlinjen börjar transgressera eller vandra över den kontinentala marginalen. Det överskridande havet sprider ut ett lager av ren kvartssand som en strandavlagring som täcker hela området. Kvartsanden är det första tydliga beviset i stenregistret på att den kontinentala terrassen har sjunkit under havsnivån och håller på att stabiliseras.
När havet överskrider gränsen blir havet djupare och stranden ger vika för en kustnära shelfmiljö, som sedan blir en djup shelfmiljö. Denna avlagring skapar en snabbt sjömässigt förtjockande kil av avlagringar från den divergenta kontinentalmarginalen (DCM) med en shelf, en sluttning och en upphöjning (se tvärsnittet ovan).
Full divergent marginal

Subsidiering på grund av termisk nedbrytning (förlusten av värme från jordskorpan och den därav följande ökningen av densiteten) är snabb till en början, men avtar exponentiellt med tiden. Divergerande kontinentalmarginaler tar ungefär 120 miljoner år att nå stabilitet (isostatisk jämvikt). Sediment fortsätter att ackumuleras under hela denna tid, med störst tjocklek mot havet där sänkningen är störst, och tunnare mot kontinenten. I slutändan finns en sedimentkile som är 17 kilometer tjock när den är som mest. Lägg märke till i tvärsnittet att den vulkan som i hot spot-stadiet befann sig ovanför havsytan nu ligger mycket djupt ner i jorden.
Det sediment som avlagras på den divergerande kontinentalmarginalen förblir mestadels ytligt marint eftersom sättningar och avlagringar fortsätter i ungefär samma takt. I ett varmt klimat intill en stabil kraton kan dessa vara mestadels karbonater (kalkstenar och dolomiter), annars är de sandstenar och skiffer. Om kontinentalmarginalen stabiliseras innan något annat händer fortsätter sedimenten bara att ackumuleras, men byggs nu ut (prograderas) över havsbottnen.
Detta slutskede av rifting kommer att fortsätta i all oändlighet, eller tills någon annan tektonisk händelse tränger in och förstör den lugna divergerande marginalen.
Gå till modeller för bergsbyggande
Tillbaka till startsidan
Fortsätt till en beskrivning av Virginias geologi
Fortsätt till en sidas historia, två sidors historia, 16 sidors historia.