Hangi güçler Kuzey Amerika Levhasını Yönlendiriyor?

ÖZET

L

evha tektoniğinin mekanizmasını anlamak yer bilimlerindeki en önemli problemlerden biridir. Tektonik plakalar yandan çekilip itiliyor mu, yoksa manto konveksiyonu plakaları hareket ettirmede aktif bir rol oynuyor mu? Bu soru, derin kıtasal köklerin deformasyonu incelenerek ele alınabilir. Burada gösterilen Kuzey Amerika uygulaması, daha derin mantonun Kuzey Amerika levhasından daha yüksek bir hızla hareket ettiğini ve mantonun levhaları hareket ettirmede önemli bir rol oynadığını göstermektedir. Bu bulgunun (1) Kuzey Amerika'nın hareketinin son 100 milyon yılda neden çarpıcı bir şekilde yavaşladığına dair doğal bir açıklama sağladığını ve (2) Kuzey Amerika hareketinin sonunda duracağını öngördüğünü öne sürüyorum.

GİRİŞ

D

ünya yüzeyinde hareket eden plakalar kavramı evrensel olarak kabul edilse de, bu harekete hangi kuvvetlerin neden olduğu daha az açıktır. Baskın kuvvetler, (1) düz dalan levhalar tarafından “düz çekme” ile okyanus ortası sırtlardan “sırt itme” ile ya da (2) aşağıdaki manto konveksiyonundan kaynaklanmaktadır. Her iki kavram da yüzey plakası hareketinin genel modelini açıklayabilir (Forsyth ve Uyeda, 1975); Kuzey Amerika ile ilgili olarak, her iki görüş de 2000 sonbaharında Amerikan Jeofizik Birliği toplantısında sunuldu.

B

u modelleri ayırt etmek için önemli olan bir nicelik, plakaların tabanına etki eden kayma gerilimi seviyesi ile belgelendiği gibi, plakalar ve daha derin manto arasındaki mekanik etkileşimin derecesidir. Bu gerilim pek bilinmez, ancak önerildiği gibi (Melosh, 1977) durağan kıtasal alanların birkaç megapaskal altındaysa, bu tahmin, Kuzey Amerika’nın stabil bölümünün tabanına etki eden  kuvvetinin, Kuzey Atlantik'ten gelen sırt itme kuvveti  ile aynı büyüklüktedir.  Bu benzerlik, plakanın manto konveksiyonuna ne ayrılmış ( durumu) ne de tam olarak bağlı ( ≫  durumu) olduğunu göstermektedir. Bu kısmi eşleşme durumunda, litosfer-astenosfer sistemi içinde önemli ölçüde iç deformasyon beklenmelidir. Bununla birlikte, açık bir soru, gerilimlerin hangi yönde etkilediğidir, yani, daha derin manto levha hareketini mi sürdürüyor yoksa direnç mi gösteriyor? Bu soruyu çözmek için bir teknik Şekil 1'de gösterilmektedir. Litosferin, plaka ve daha derin manto arasındaki etkileşimden dolayı yaklaşık olarak basit bir kesmeyle deforme olduğunu varsayarsak, deformasyonunun kökünün minerallerin, özellikle de (yatay) akış düzlemine doğru dönen olivin'in kafes tercihli bir yönelimine yol açmasını bekleriz. Gerilmek. Tercih edilen yönelimli eğim yönünün, yüzeydeki bir gözlemciye göre bazal kayma gerilmesinin hareket ettiği yön olarak yorumlanabileceğini unutmayın. Soru, elbette, eğimin sıfırdan (yatay) farklı olup olmadığıdır, çünkü aksi takdirde iki zıt akış yönünü ayırt etme yeteneğimizi kaybederiz. Bunu, telesismik dalgalardan yorumlanan etkili sismik anizotropiyi kullanarak ve özellikle olivin a-eksenlerinin mineral oluşum yönelimine paralel hızlı yönü belirleyerek belirliyoruz. Sismik hızlı eksenin eğimli olduğu azimut, litosferin tabanındaki kayma gerilmesinin hareket ettiği yönü belirler.

S

ismik anizotropi, çoğunlukla kayma dalgası bölünmesi ve yüzey dalgaları analiz edilerek kapsamlı bir şekilde incelenmiştir (Silver, 1996; Savage, 1999; Montagner ve Tanimoto, 1991). Bu tekniklerin hiçbiri hızlı yönün eğim açısını kolayca belirleyemez ve bunu yapmaya çalışan sadece birkaç çalışma vardır (Hartog ve Schwartz, 2000, 2001; Levin vd. 1999). Bu yazıda, Kuzey Amerika'daki bir dizi istasyon için hem azimutları hem de eğim açılarını belirleyen P dalgası gecikmelerinin açısal varyasyonlarına dayalı bir teknik kullanıyoruz (Bokelmann, 2002).

Şekil 1. İtici güçler (oklar) ve tektonik plaka içindeki kayma hissi (dikey olarak abartılı). Levha-manto etkileşiminden kaynaklanan basit kayma deformasyonu, kalın litosferin bölümlerinde tercih edilen mineral yönelimine ve sismik anizotropiye yol açar. Sismik hızlı eksenler çapraz çizgilerle şematik olarak gösterilmiştir. Hızlı eksenlerin eğim yönü, dalma mekanizmasının göstergesidir. A: Plaka yandan yönlendirilrse ve manto harekete direnç gösterirse, hızlı eksenler plaka hareketi yönünden uzağa doğru eğilir. B: Tersine, levha daha hızlı hareket eden daha derin manto tarafından yönlendirilirse, hızlı eksenler mutlak levha hareketi yönüne doğru eğilir. İtici güçler büyükse, tanısal orojenez (dağ oluşumu) ve genişleme paterni gelişebilir; orojenez, kökün hareket ettiği tarafta meydana gelir (metne bakın)

S

tabil Kuzey Amerika, çok kalın litosfere ve nispeten yüksek mutlak levha hızına sahip olduğundan, itici güçler sorununu ele almak için özellikle uygun bir adaydır. Aynı zamanda, stabil Kuzey Amerika altındaki litosfer-astenosfer sisteminde güçlü ve tutarlı deformasyona işaret eden, Dünya'daki tüm kalkan bölgeleri arasında en güçlü kesme dalgası ayrılmasını gösterir.

Şekil 2. Kuzey Amerika’nın kuzeyindeki istasyonlar için hızlı eksenlerin yönü. P dalgası hızlı azimutları, güneybatı yönü için açık gri (180 ile 260 arasında) ve diğer yönler için siyah oklarla gösterilmiştir; küre içindeki gölgeler (sağ alt) açısal aralıkları gösterir. Okun uzunluğu eğim açısını gösterir. Arka plan haritası, Grand'ın (1994) tomografik modelinde 400 km'den yüzeye entegre edilmiş S dalgası seyahat sürelerini  gösterir. Daha koyu gri tonlar, kalın litosferin kapsamını gösterir. Bu bölgenin, yalnızca güneyden batıya hızlı yönlere sahip istasyonlara karşılık geldiğini, oysa diğer alanların çok farklı hızlı yönlere sahip olduğunu unutmayın.

ANİZOTROPİ VE YÖNLENDİRME MEKANİZMASI

Ö

nceki bir çalışma, derin Kanada Kalkanının iki anizotropik katmandan oluştuğunu buldu; daha sığ olan tam dikey olmayan yapraklanma düzlemine sahiptir ve daha derin olan tam yatay olmayan yapraklanma düzlemine sahiptir (Bokelmann ve Silver, 2000). Bu yapraklanma düzlemi oryantasyonları, Şekil 1’de gösterildiği gibi, (1) sığ litosfer ve kabuğun dikey olarak tutarlı bir deformasyonunun ve (2) derin litosfer ve/veya astenosferde daha derin manto ile mekanik etkileşime bağlı basit kayma deformasyonunun göstergesidir. Kanada Kalkanı altındaki güçlü kayma dalgası bölünmesinden, anizotropinin ayrıca; 2s boyutunda telesismik P-dalgası gecikme verilerinin açısal varyasyonlarında ortaya çıkması beklenebilir. Küresel P dalgası gecikme veri setinin incelenmesi üzerine (Engdahl vd. 1998), P dalgası gecikmelerinde sistematik varyasyonlar bulunur ve bunlar yaklaşık olarak bu boyuttadır; ayrıca, Kuzey Amerika'nın stabil kısmındaki istasyonlar için güneybatı yönünden gelişler sistematik olarak diğer yönlerden gelenlerden daha hızlıdır. Bu etki, Kuzey Amerika aşağıdan yönlendirilseydi beklenebilecek bir etkiydi, çünkü olivin a eksenleri güneybatı mutlak levha hareketi (APM - MLH) yönüne dalmış olacaktı.

A

slında, Kuzey Amerika'nın kalın litosfere sahip kısmındaki tüm istasyonlar için güneyden batıya hızlı yönler gözlemlenir. Şekil 2, telesismik gecikme verilerinin tersine çevrilmesinden kaynaklanan hızlı yönleri göstermektedir (Bokelmann, 2000, 2002). Kuzey Amerika'nın altında kalın bir litosferik kökü (kabaca stabil Kuzey Amerika'ya karşılık gelen) gösteren hızlı bir manto (koyu gri arka plan) olduğu her yerde, hızlı baltalar güneyden batıya doğru dalar. SKS kayma dalgası ayırmasından gelen hızlı yönler, istasyonların çoğu için (Silver, 1996; Savage, 1999) P-dalgası hızlı yönlere kabaca benzer, bu da P-dalgası gecikme modellerinin litosfer-astenosfer sistemindeki anizotropiden kaynaklandığını düşündürür.

Ş

ekil 3A, stabil Kuzey Amerika'daki istasyonların ortak hızlı yönünün, kabaca (pozitif) mutlak levha hareketi aralığında olduğunu göstermektedir; bu, stabil Kuzey Amerika altındaki kalın litosferin aşağıdan yönlendirildiğini gösterir (Şekil 1B'nin durumu). Eğer bu doğruysa, o zaman kalın litosfer bölgesi altındaki hızlı yönlerin azimutu, Kuzey Amerika plaka hızından daha hızlı hareket eden (>2 cm/yıl) manto akışından kaynaklanan litosfere göre bazal kayma geriliminin yönünü verir. Manto hareketinin yönü, mutlak levha hareketininkiyle aynı olmak zorunda değildir; yani, viskozite değişimleri büyük olmadığı sürece manto içindeki hareket tamamen poloidaldir (Bercovici, 1998) ve bu nedenle levha hareketinin toroidal (kesme) bileşenini sürdüremez. Toroidal bileşeni açıklamak için, plakalar ve manto tam olarak birleştirilemez. Bir sıcak nokta referans çerçevesi yerine "ağ dönüşü olmayan" bir referans çerçevesi, örneğin NNR-UVEL-1A kullanan mutlak plaka hareketi modelleri için anizotropik yönlerde daha büyük bir sapma olması belki de dikkate değerdir.

A

ltta yatan varsayım, litosferdeki deformasyonun yaklaşık olarak basit kayma ile meydana geldiğiydi. Bu varsayımı gerçekten test edebiliriz çünkü hızlı eksenlerin yataydan 45°'den daha sığ bir eğim açısına sahip olması gerekir (Wenk vd., 1991). Şekil 3B, stabil Kuzey Amerika'daki tüm istasyonların, bu testi hata dahilinde karşılayan hızlı eksen eğim açıları ürettiğini, oysa levha-manto etkileşiminden stabil Kuzey Amerika dışındaki istasyonların %35'inin bu testi karşılamadığını ve basit kesme deformasyonundan farklı bir açıklama gerektirdiğini göstermektedir. Fouch vd. (2000), kararlı Kuzey Amerika'dan azimutları bölen tedirgin hızlı kesme dalgasının bir açıklaması olarak, kalın litosferik kök etrafındaki manto akışının yanal tedirginliklerini önerdiler. Kuzey Amerika'daki diğer bölgeler çok farklı hızlı yönlere sahiptir. Litosferin farklı kalınlıkları bunu açıklamak için önemli olabilir, çünkü daha derin manto ile bağlantı derecesini kontrol eder; yani, kalın litosfere sahip kısım altında birleşme, Amerika Birleşik Devletleri'nin batısında olduğundan çok daha güçlüdür.

Şekil 3. Hızlı eksenlerin çarpma ve eğim açıları. Üst manto S dalgası gecikmesi 'nin (Şekil 2'deki arka plan haritasındaki değer) fonksiyonu olarak Kuzey Amerika için çarpma açıları ve mutlak levha hareketi (APM) yönü aralığı. Hızlı manto ve kalın litosfer konumlarındaki (siyah semboller) istasyonların, yaklaşık olarak (pozitif) MLH hareketi yönleri aralığında eğimlere sahip olduğuna dikkat edin. B: Hızlı eksenlerin eğim açıları (yataydan). Şekil 1'de gösterildiği gibi litosferik kök (hızlı manto) için basit kesme deformasyon mekanizması, 45°'den daha sığ eğim açıları gerektirir (Wenk vd. 1991). Hızlı mantodaki tüm istasyonlar (kenara yakın bir istasyon hariç) bu testi karşılar. Bununla birlikte, Amerika Birleşik Devletleri'nin batısındaki istasyonlar (gri semboller) kuzeydoğu yönelimli hızlı yönlere sahiptir (kıtanın stabil kısmındakilerin neredeyse tersi) ve geliş açılarının çoğu da 0°–45° aralığındadır.

TEKTONİK STİL

T

aban kuvvetinin kıtasal stres alanında ve Kuzey Amerika'nın farklı bölgelerindeki tektonik stilde de belgelenip belgelenmediğini düşünmek ilginçtir. Taban kuvvetinin kıtasal stres alanında ve Kuzey Amerika'nın farklı bölgelerindeki tektonik stilde de belgelenip belgelenmediğini düşünmek ilginçtir. Mevcut stres verileri, Kuzey Amerika için hem yandan güdümlü hem de alttan güdümlü mekanizmayı desteklemek için kullanılmış olup (Bird, 1998; Zoback ve Zoback, 1989), çözme gücünün henüz çok büyük olmadığını veya daha büyük olasılıkla, stres alanı üzerinde uygulanamayacak ek etkilerin yok sayılamayacak olduğunu öne sürmektedir. Böyle bir faktör kaldırma kuvveti gibi görünmektedir (Jones vd., 1996; Zoback ve Mooney, 1998).

Y

alnızca Kuzey Amerika levhası dikkate alındığında, eğer levha aşağıdan yönlendirilirse, güneybatıda kuzeydoğu-güneybatı yönünde sıkışma eğilimi ve kuzeydoğuda daha fazla kuzeydoğu-güneybatı uzantısı beklenebilir (Şekil 1). Stresteki bu değişiklik, güneybatı Kuzey Amerika'da orojeneze ve kuzeydoğuda genişlemeye yol açabilir. Tersine, eğer kıta yalnızca Kuzey Atlantik sırt itmesi tarafından yönlendirildiyse, bunun tersi beklenebilir (kuzeydoğuda güneybatıya göre daha güçlü sıkıştırma). Aslında, Batı Kuzey Amerika'nın Atlantik açıklığının çoğu boyunca tektonik tarihi, sıkışma tektoniği ile işaretlenmiştir (Burchfiel vd., 1992). Stabil kıtanın batı ucundaki stres alanı, şu anda Montana'nın kuzeyinden Alaska'ya kadar sıkışma halindedir, ancak Amerika Birleşik Devletleri'nin batısındaki genişlemeli Havza ve Dağ Sırası, bu büyük ölçekli modelde bir istisnayı temsil etmektedir. Bu istisna, iç yerçekimi kuvvetlerinin bir etkisi olarak açıklanabilir (Jones vd., 1996) ve dışarıdan etki eden bir sıkıştırma gerilimi alanı olsa bile oluşabilir. Bununla birlikte, kuzeydoğu Amerika Birleşik Devletleri, Atlantik açılımının çoğu sırasında Baffin Körfezi bölgesinde ve Labrador Denizi'nde genişlemeye dair kanıtlar göstermektedir (Keen vd., 1990). Kalın bir kıtanın ardından meydana gelen bu tür bir genişleme, doğal olarak aşağıdan yönlendirme ile açıklanacaktır. Benzer şekilde, Güney Amerika'nın orojenik davranışındaki doğu-batı farkı, Güney Amerika'nın hareketini yönlendiren bir aşağıdan-yönlendirme mekanizması önerisine yol açtı (Alvarez, 1982).

KUZEY AMERİKA'NIN YAVAŞLAMASI

A

merika Birleşik Devletleri'nin batısındaki sismik hızlı yönler (Şekil 2), kıtanın stabil kısmındaki yönlere neredeyse zıttır ve eğimler genellikle 45°'ye yakın veya altındadır, bu da bu verilerin bir basit kesme mekanizmasıyla tutarlı olduğunu gösterir. Bu zıt hızlı yönleri açıklamanın bir yolu, Amerika Birleşik Devletleri'nin batısının alttan yönlendirilen kalın litosfer tarafından kuzeydoğudan itildiğini varsaymaktır, ancak bu açıklama, batı Kuzey Amerika'nın altındaki astenosferde bir kuzeydoğu karşı akışını gerektirir. Daha doğal bir açıklama, Kuzey ve Güney Amerika'nın altındaki alt mantodaki iyi bilinen yüksek hız anomalisinden kaynaklanmaktadır (Şekil 4). Bu anomali genellikle batı ve doğudaki iki konveksiyon hücresini ayıran kenar olarak görülebilen bir downwelling (Grand, 1994) olarak yorumlanır. Bu iki konveksiyon hücresi, giriş modeli olarak manto yoğunluk yapısı ile jeodinamik modelleme çalışmalarının tahmin ettiği gibi, Amerika Birleşik Devletleri'nin doğusunda ve batısında litosfer altında gözlenen karşıt sürüklemeyi üretecektir (B. Steinberger ve T. Becker, 2001, personal commun.). Bu görüş, jeodezi ve kayma dalgası bölünmesinin birleştirilmesiyle belirlenen batı Amerika Birleşik Devletleri altındaki manto akışının yönü ile tutarlıdır (Silver ve Holt, 2001).

D

ownwelling genellikle Farallon levhasının dalması olarak yorumlanır ve görünüşe göre Kuzey Amerika'nın en batısındaki orijinal olarak bu downwelling üzerinde bulunuyordu. Şekil 4, Kuzey Amerika'nın güneybatı hareketinin şu anda istikrarlı kıtanın batı kısmını alçalmanın üzerine yerleştirdiğini göstermektedir. Hareket devam ederse ve sabit kıta kendini downwelling üzerinde merkezlerse, ona etki eden yanal kuvvet sıfır olacak ve hareket duracaktır. Bu argüman, eğer plakanın hareketi gerçekten aşağıdan yönlendiriliyorsa, Kuzey Amerika'nın yavaşlaması ve sonunda downwelling üzerinde durması gerektiğini öngörüyor. Bu tahmin, Kuzey Amerika'nın son 100 milyon yıl boyunca neden önemli ölçüde yavaşladığını açıklıyor (Şekil 4). Görünüşe göre süreç henüz tamamlanmadı. Mantoyla birleşmiş olan stabil kıta henüz downwelling hareketin merkezinde değil, ancak Kuzey Amerika'nın hareketinin durması muhtemelen sadece birkaç on milyonlarca yıl alacak.

Şekil 4. Alt manto downwelling ve Kuzey Amerika hareketi. Alt mantodaki sismik hızlar (burada 800 km derinlikte 100km kalınlığındaki tabaka boyunca seyahat süreleri olarak gösterilmektedir) Kuzey Amerika ve Güney Amerika altında tablo şeklinde hızlı bir anomali göstermektedir (Grand, 1994). Kalın litosferin ana hatları (Şekil 2'den alınmıştır) kalın çizgi ile gösterilmiştir. İç metin, Kuzey Amerika'nın son 100 my boyunca levha hareketi hızının batı bileşenini gösterir (Gordon ve Jurdy, 1986; Lithgow-Bertelloni ve Richards, 1998). Bu süre boyunca Kuzey Amerika'da çarpıcı bir yavaşlama var. Bunun, Kuzey Amerika kıtası aşağıdan yönlendirildiğinde meydana geleceği tahmin edilen, kıtanın çökme yerine oturmasından kaynaklandığını savunuyorum. Kalın litosfer bölgesi downwelling’e ulaştı, ancak henüz onun üzerinde merkezlenmedi.