لیتوسفر: هر آنچه باید درباره پوسته سنگی زمین بدانید

در دنیای زمین‌شناسی، لیتوسفر یا سنگ‌کره به بیرونی‌ترین لایه جامد و شکننده زمین گفته می‌شود. این لایه، همان جایی است که صفحات تکتونیکی در آن قرار دارند. لیتوسفر از سطح زمین شروع می‌شود، جایی که به راحتی قابل مشاهده است، اما مرز زیرین آن، نقطه‌ای مبهم و در حال تغییر است که همچنان موضوع تحقیقات گسترده‌ای در علم زمین‌شناسی به شمار می‌رود. صفحات تکتونیکی که عامل اصلی بسیاری از پدیده‌های زمین‌شناسی هستند، در واقع قطعاتی از همین لیتوسفر هستند. درک ساختار و ویژگی‌های لیتوسفر، کلیدی برای فهم بسیاری از رویدادهای طبیعی مانند زمین‌لرزه‌ها و فعالیت‌های آتشفشانی است. مطالعه لیتوسفر نه تنها به شناخت بهتر سیاره‌مان کمک می‌کند، بلکه در مدیریت بهتر منابع طبیعی و کاهش خطرات ناشی از حوادث طبیعی نیز مؤثر است. سنگ کره لایه‌ای حیاتی برای حیات در زمین است.

خمیدگی لیتوسفر: انعطاف‌پذیری سنگ‌کره

برخلاف تصور، لیتوسفر کاملاً سخت و صلب نیست، بلکه خاصیت ارتجاعی اندکی دارد. به عبارت دیگر، سنگ‌کره در اثر اعمال بار یا حذف آن، دچار خمیدگی می‌شود. یخچال‌های عصر یخبندان نمونه‌ای از این بارها هستند. به عنوان مثال، در قطب جنوب، کلاهک یخی عظیم، لیتوسفر را تا عمق قابل توجهی پایین‌تر از سطح دریا فرو برده است. در کانادا و اسکاندیناوی، جایی که یخچال‌ها حدود 10000 سال پیش ذوب شدند، سنگ‌کره همچنان در حال بازگشت به حالت اولیه خود است.

عوامل ایجاد بار بر لیتوسفر:

• ساخت آتشفشان‌ها
• رسوب‌گذاری
• افزایش سطح دریا
• تشکیل دریاچه‌ها و مخازن بزرگ

عوامل کاهش بار از لیتوسفر:

• فرسایش کوه‌ها
• حفر دره‌ها و تنگه‌ها
• خشک شدن پهنه‌های آبی بزرگ
• کاهش سطح دریا

این خمیدگی‌ها معمولاً کوچک (کمتر از یک کیلومتر) هستند، اما قابل اندازه‌گیری‌اند. با استفاده از اصول فیزیک مهندسی و مدل‌سازی لیتوسفر به شکل یک تیر فلزی، می‌توان تخمینی از ضخامت آن به دست آورد. همچنین، با بررسی رفتار امواج لرزه‌ای و تعیین عمقی که سرعت این امواج کاهش می‌یابد، می‌توان مرز زیرین لیتوسفر را مشخص کرد.

این مدل‌ها نشان می‌دهند که ضخامت سنگ کره در نزدیکی پشته‌های میان اقیانوسی کمتر از 20 کیلومتر و در مناطق اقیانوسی قدیمی حدود 50 کیلومتر است. زیر قاره‌ها، لیتوسفر ضخیم‌تر بوده و بین 100 تا 350 کیلومتر متغیر است.

در زیر لیتوسفر، لایه نرم‌تر و داغ‌تری به نام استنوسفر (Asthenosphere) قرار دارد. مواد استنوسفر به جای صلب بودن، ویسکوز هستند و مانند بتونه، به آهستگی تحت فشار تغییر شکل می‌دهند. به همین دلیل، لیتوسفر می‌تواند تحت تأثیر نیروهای تکتونیک صفحه‌ای، روی استنوسفر حرکت کند. این امر همچنین به این معنی است که گسل‌های زمین‌لرزه، شکاف‌هایی هستند که تا انتهای لیتوسفر امتداد دارند و از آن فراتر نمی‌روند. بنابراین، شناخت ویژگی‌های استنوسفر به درک بهتر حرکت صفحات تکتونیکی کمک می‌کند.

ساختار لیتوسفر: لایه‌های تشکیل‌دهنده سنگ‌کره

لیتوسفر از دو بخش اصلی تشکیل شده است: پوسته (شامل سنگ‌های قاره‌ای و بستر اقیانوس) و قسمت بالایی گوشته که زیر پوسته قرار دارد. این دو لایه از نظر ترکیب کانی‌شناسی با هم تفاوت دارند، اما از نظر مکانیکی رفتار مشابهی دارند و به صورت یکپارچه عمل می‌کنند. به همین دلیل، گرچه اغلب از عبارت "صفحات پوسته‌ای" استفاده می‌شود، اما اصطلاح دقیق‌تر، "صفحات لیتوسفری" است. لیتوسفر نقش اساسی در پایداری و شکل‌گیری سطح زمین دارد.

مرز زیرین لیتوسفر، جایی است که دما به حدی می‌رسد که باعث نرم شدن سنگ‌های گوشته (به ویژه پریدوتيت) می‌شود. با این حال، تعیین دقیق این مرز به دلیل پیچیدگی‌های موجود و فرضیات مورد استفاده، دشوار است. تخمین زده می‌شود که این دما بین 600 تا 1200 درجه سانتیگراد باشد. فشار نیز در این میان نقش مهمی ایفا می‌کند و ترکیب سنگ‌ها به دلیل اختلاط ناشی از تکتونیک صفحه‌ای، متفاوت است. به همین دلیل، نباید انتظار یک مرز کاملاً مشخص را داشت. محققان معمولاً در مقالات خود از اصطلاحات "لیتوسفر حرارتی"، "لیتوسفر مکانیکی" یا "لیتوسفر شیمیایی" استفاده می‌کنند.

لیتوسفر اقیانوسی در مراکز گسترش، بسیار نازک است، اما با گذشت زمان ضخیم‌تر می‌شود. با سرد شدن، سنگ‌های داغ از استنوسفر زیرین به بخش زیرین لیتوسفر منجمد می‌شوند. در طول حدود 10 میلیون سال، لیتوسفر اقیانوسی چگال‌تر از استنوسفر زیرین خود می‌شود. به همین دلیل، بیشتر صفحات اقیانوسی برای فرورانش آماده هستند. فرورانش سنگ کره اقیانوسی فرآیندی کلیدی در چرخه مواد زمین است.

خم شدن و شکستن لیتوسفر: نیروهای تکتونیکی و پیامدهای آن

نیروهایی که باعث خم شدن و شکستن لیتوسفر می‌شوند، عمدتاً ناشی از تکتونیک صفحه‌ای هستند. حرکت و برهم‌کنش صفحات تکتونیکی، اصلی‌ترین عامل تغییر شکل و تخریب سنگ کره است.

در مناطقی که صفحات به هم برخورد می‌کنند، لیتوسفر یک صفحه به زیر صفحه دیگر فرو می‌رود. این فرآیند فرورانش نامیده می‌شود و در طی آن، صفحه به سمت پایین تا زاویه 90 درجه خم می‌شود. با خم شدن و فرورفتن، لیتوسفر فرورانشی به طور گسترده ترک می‌خورد و باعث وقوع زمین‌لرزه در صفحه سنگی نزولی می‌شود. در برخی موارد (مانند کالیفرنیای شمالی)، بخش فرورانشی می‌تواند به طور کامل جدا شده و با تغییر جهت صفحات بالایی، به اعماق زمین فرو رود. لیتوسفر فرورانشی حتی در اعماق زیاد نیز می‌تواند برای میلیون‌ها سال شکننده باقی بماند، به شرطی که نسبتاً خنک باشد. پدیده فرورانش نقش مهمی در بازیافت مواد پوسته زمین دارد.

لیتوسفر قاره‌ای نیز می‌تواند شکسته شود، به طوری که قسمت پایینی آن جدا شده و فرو رود. این فرآیند، جداشدگی یا "Delamination" نامیده می‌شود. بخش پوسته‌ای لیتوسفر قاره‌ای همیشه چگالی کمتری نسبت به بخش گوشته‌ای دارد، که به نوبه خود چگال‌تر از استنوسفر زیرین است. نیروی گرانش یا نیروهای کششی از استنوسفر می‌توانند لایه‌های پوسته‌ای و گوشته‌ای را از هم جدا کنند. جداشدگی باعث می‌شود که گوشته داغ بالا آمده و در زیر بخش‌هایی از قاره ذوب شود و باعث بالاآمدگی گسترده و فعالیت‌های آتشفشانی شود. مناطقی مانند سیرا نوادای کالیفرنیا، شرق ترکیه و بخش‌هایی از چین با در نظر گرفتن پدیده جداشدگی مورد مطالعه قرار می‌گیرند. این پدیده به درک بهتر تحولات زمین‌شناسی در مناطق قاره‌ای کمک می‌کند.