Płaszcz Ziemi płynie, chociaż prawie cały jest stałą skałą
Jedno z najbardziej uporczywych uproszczeń przedstawia płyty tektoniczne jako kawałki skorupy unoszące się na oceanie magmy. W rzeczywistości niemal cały płaszcz jest stały. Skała w krótkiej skali czasu zachowuje się jak ciało stałe i przenosi fale S, ale w temperaturze i ciśnieniu panującym głęboko pod powierzchnią może przez miliony lat odkształcać się plastycznie i bardzo powoli płynąć. Ten pozorny paradoks jest kluczem do zrozumienia konwekcji płaszcza i ruchu litosfery: „stałe” i „płynące” nie wykluczają się, jeśli patrzymy na zupełnie różne skale czasu.
Stałe nie znaczy idealnie sztywne
Codzienna intuicja powstaje w skali sekund, godzin i lat. Skała wydaje się wtedy sztywna: można ją rozbić, ścisnąć lub wygiąć tylko nieznacznie. W płaszczu działa jednak wysoka temperatura i ogromne ciśnienie, a procesy tektoniczne mają miliony lat. Kryształy mogą powoli zmieniać kształt, przemieszczać defekty i pełzać bez przechodzenia całej skały w stan ciekły. Podobne zachowanie materiałów nazywa się deformacją lepką lub pełzaniem. W efekcie płaszcz może zachowywać się sprężyście podczas przejścia fali sejsmicznej, a jednocześnie przepływać w skali geologicznej.
Dlaczego fale S są ważnym testem
Fale S wymagają ośrodka zdolnego przenosić naprężenia ścinające. Przechodzą przez płaszcz, co jest bezpośrednim dowodem, że na skali czasu fali płaszcz zachowuje się jak ciało stałe. Gdy fala dociera do ciekłego jądra zewnętrznego, znika. To bardzo mocno podważa obraz globalnego „morza magmy” pod skorupą. Częściowe stopienie występuje lokalnie, m.in. w pewnych strefach pod grzbietami i nad subdukującymi płytami, ale stopiona frakcja stanowi tylko część materiału.
Jak może zachodzić konwekcja w stałej skale
Konwekcja kojarzy się z wodą w garnku, lecz jej istotą jest transport materiału wywołany różnicami wyporności, a nie koniecznie stan ciekły w codziennym znaczeniu. Gorętszy materiał płaszcza może być mniej gęsty i bardzo powoli się unosić, natomiast chłodna litosfera oceaniczna może opadać. Przepływ jest ekstremalnie wolny w porównaniu z cieczą kuchenną, ale działa na gigantycznych odległościach i przez setki milionów lat. Dlatego nawet ruch rzędu centymetrów rocznie wystarcza, by całkowicie przebudowywać układ oceanów i kontynentów.
Dlaczego porównanie z magmą wprowadza w błąd
Magma jest stopioną lub częściowo stopioną skałą. Astenosfera, na której w sensie mechanicznym spoczywa litosfera, nie jest globalnym zbiornikiem płynnej magmy. To gorąca część płaszcza o niskiej wytrzymałości długookresowej. Jej skały mogą odkształcać się łatwiej niż sztywna litosfera powyżej. To rozróżnienie pozwala zrozumieć, dlaczego płyty pozostają mechanicznymi, sztywnymi blokami, mimo że pod nimi materiał może w długiej skali czasu ustępować i przepływać.
Czas jest brakującym wymiarem intuicji
Ta sama skała może reagować zupełnie inaczej w zależności od czasu działania siły. Przy szybkim obciążeniu pęka albo sprężyście się odkształca, ale przy wysokiej temperaturze i naprężeniu działającym przez miliony lat minerały mogą pełzać: defekty w kryształach przemieszczają się, a ziarna zmieniają kształt. W makroskopowej skali daje to przepływ bez konieczności stopienia materiału. Dlatego pytanie „czy płaszcz jest stały, czy płynny?” jest źle postawione bez określenia skali czasu. Dla fali sejsmicznej zachowuje się jak ciało stałe, dla ruchu płyt przez miliony lat — jak bardzo lepki ośrodek zdolny do konwekcji.
Powolne podnoszenie lądu pokazuje płynięcie płaszcza na żywo
Jednym z namacalnych dowodów na długookresową podatność głębszych skał jest odbudowa izostatyczna terenów, które były przykryte lądolodem. Po stopnieniu lodu litosfera wciąż się podnosi, ponieważ materiał płaszcza bardzo powoli przemieszcza się z powrotem pod odciążony obszar. Gdyby płaszcz był idealnie sztywny w geologicznej skali czasu, taki wielowiekowy proces nie byłby możliwy. To łączy pozornie abstrakcyjną reologię skał z pomiarami geodezyjnymi wykonywanymi współcześnie na powierzchni.