Inzenjerska Geologija i Dio

SADRŽAJ: 1. UVODNA RAZMATRANJA 1.1. Opće značajke i podjela geologije – inženjerska geologija 1.2. Definiranje profesionalnih zadataka, odgovornosti i suradnje u geotehnici (europska radna grupa ISSMGE, ISRM i IAEG) 1.2.1.

Stručne nadležnosti inženjergeologa prema Nacrtu iz srpnja 2003.

1.2.2.

Osnovna razmatranja o neophodnosti i mogućnostima suradnje inženjera graditeljstva i inženjergeologa

1.2.3.

Postupak planiranja i proces projektiranja u geotehnici

1.2.4.

Definiranje rizika podtla

1.2.5.

Aktualna pitanja koja se odnose na stručnu praksu inženjerske geologije u Europi

1.3. Osnovni pojmovi o Zemlji kao nebeskom tijelu 1.3.1. Zemlja u sklopu Sunčeva sustava 1.3.2. Konstitucija Zemlje

1.3.2.1.

Zemlja kao izvor i potrošač energije

1.3.2.2.

Vanjska Zemljina dinamika

1.3.3. Koncept tektonike ploča

1.3.3.1.

Alfred Wegener i pomicanje kontinenata

1.3.3.2.

Daljinska istraživanja pomaka

1

1. UVODNA RAZMATRANJA 1.1. Opće značajke i podjela geologije – inženjerska geologija Geologija (eng. geology) je znanost o građi, dinamici i razvitku Zemlje. Naziv geologija prvi put uvodi biskup R. de Bury 1473. godine. U znanstvenu literaturu naziv je uvršten tek u drugoj polovici 18. stoljeća. Ima tri tematske skupine. 1) Opća ili fizička geologija. 2) Stratigrafska ili historijska geologija. 3) Regionalna geologija s geotektonikom. 1) Opća geologija bavi se strukturom i dinamikom Zemlje kao cjeline. Može se podijeliti na nekoliko znanstvenih disciplina, po objektu istraživanja i primijenjenoj metodici. Geodinamika obuhvaća procese koji djeluju u njezinoj unutrašnjosti i na njezinoj površini, kao činioci trajnih evolucijskih promjena od postanka zemlje. Dijelom te problematike bave se zasebne znanstvene discipline, pa vode proučavaju, npr. hidrogeologija, hidrologija, hidraulika i geomehanika. Djelovanje zraka proučava meteorologija. Petrografija je znanost koja proučava i razvrstava stijene: opisuje njihove mineraloške, strukturne i fizičko-mehaničke značajke te način pojavljivanja. Ona je dio petrologije koja se, uz spomenuto, bavi i proučavanjem uvjeta postanka stijena u sklopu procesa koji se odvijaju u Zemljinoj kori. Ako se istraživanja ograniče na sedimentne stijene, govorimo o sedimentologiji. Rasporedom i migracijom kemijskih elemenata bavi se geokemija, koja je ujedno i jedna od osnova mineralogije – kompleksne znanosti o mineralima. Mineralogija je znanost koja proučava i sistematizira minerale, opisuje njihov oblik, kemijska i fizička svojstva, njihovu unutarnju građu, način postanka i promjene koje se u njima zbivaju te ih razvrstava po srodnosti kemijskog sastava i strukture ili unutarnje građe. Veliku povezanost s geologijom ima geofizika koja proučava fizikalne pojave i promjene u atmosferi, litosferi i unutarnjim dijelovima Zemlje. U njezinom sklopu razvijene su različite primijenjene znanstvene grane. Inženjerska geofizika se bavi utvrđivanjem fizičko – mehaničkih značajki stijena i terena predviđenih za izgradnju te prognoziranjem promjena do kojih bi moglo doći tijekom građenja i u fazi eksploatacije građevina, a inženjerska seizmologija proučava seizmičke pojave i njihove posljedice radi dobivanja podataka za što sigurnije građenje u seiznički aktivnim područjima. Geotektonika proučava i rekonstruira prostorne odnose među stijenama litosfere u globalnim razmjerima. Ako se to proučavanje odnosi na manje prostore, rabi se naziv tektonika. Geodinamika i geotektonika su nedjeljive jer su prostorni odnosi među stijenama rezultat geodinamskih procesa. Ipak, geodinamika analizira uzroke promjena u litosferi i na njoj, a geotektonika se bavi rekonstrukcijom strukturnih i morfoloških posljedica tih promjena, kao okvira određenih zbivanja. Odraz tih zbivanja na površini zemlje predmet je geomorfologije. 2

2) Stratigrafska geologija daje prikaz glavnih stadija razvitka Zemlje kao cjeline, od njezina postanka kao samostalnog svemirskog tijela do danas. Uže shvaćena stratigrafija bavi se razvrstavanjem stijena litosfere prema redoslijedu njihova postanka. Određuje njihovu relativnu i „apsolutnu“ (približnu) starost. Ako je u središtu proučavanja sukcesija vremenski i prostorno povezanih litoloških cjelina, govorimo o litostratigrafiji. Kada se ograničimo na prikaz vremenskog slijeda organizama geološke prošlosti i na taj način određujemo redoslijed stijena u kojima se nalaze, bavimo se problemima biostratigrafije. Pitanjima uže shvaćenih fizičkogeografskih promjena i stanja u geološkoj prošlosti bavi se paleogeografija, a same klimatske promjene obuhvaćene su paleoklimatologijom, itd. 3) Regionalna geologija rasčlanjuje Zemlju na pojedine zaokružene regije: kontinente, oceane, gorske sustave, rudne pojase, kopnene vodene bazene i druge cjeline, prikazujući njihovu građu, korisne sirovine i druge elemente prirodne životne osnove. Uz elemente stratigrafske i opće geologije, pažnja se posvećuje i problemima usmjerenog interesa (mineralne sirovine, voda, mogućnost geotehničkih zahvata i dr.), pa postoji uska veza s inženjerskom geologijom i hidrogeologijom, znanošću o rudnim ležištima, seizmologijom, oceanologijom, itd. Sve geološke discipline višestruko se međusobno dopunjuju i dijelom prekrivaju. Povezane su s prirodnim i tehničkim znanostima izvan geološkog okvira: fizikom (uključujući i geofiziku), kemijom i biologijom. Granice među njima samo su uvjetne i sve manje jasne, što se dublje ulazi u istraživanja graničnih znanstvenih područja. U sklopu geologije kao kompleksnog znanstvenog polja razvijene su mnoge znanstvene grane, od kojih posebnu važnost imaju hidrogeologija i inženjerska geologija. Hidrogeologija proučava podzemne vode, njihov postanak, geološki okvir u kojem se nakupljaju i teku, te njihov režim, kakvoću i djelovanje u litosferi. Inženjerska geologija je specijalistička znanstvena disciplina i grana geologije koja proučava geološku građu, geološke procese, kao i mineraloško-petrografske i fizičko-mehaničke značajke stijena i terena za potrebe građenja. Njezinim se rezultatima određuju uvjeti gradnje, predviđaju promjene u terenu koje mogu biti izazvane suvremenim egzogenetskim i endogenetskim procesima i pojavama kao i njihov utjecaj na građevinu. Inženjerska geologija je ujedno srodna mehanici tla i mehanici stijena, pa se zato smatra i geotehničkom disciplinom. Inženjerska geologija (eng. engineering geology – sinonim: geologic engineering, tj. geološko inženjerstvo) je (prema: American Geological Institute, 1980), geologija primjenjena u inženjerskoj praksi, naročito u rudarstvu i graditeljstvu. Po definiciji udruge inženjergeologa, to je primjena geoloških podataka, tehnika i principa u istraživanju prirodnog nastanka stijena i tala ili podzemnih voda u svrhu jamstva da su geološki faktori koji utječu na lokaciju, planiranje, oblikovanje, projektiranje, građenje i održavanje inženjerskih konstrukcija, te otkrivanje rezervi podzemnih voda bili temeljito prepoznati te adekvatno interpretirani, korišteni i prikazani za primjenu u inženjerskoj praksi. 3

Inženjerskogeološka istraživanja (eng. engineering geological investigations) provode se za potrebe određivanja uvjeta građenja. Njihovim pravodobnim izvršavanjem mogu se otkloniti ili bitno umanjiti negativni utjecaji suvremenih egzogenetskih i endogenetskih procesa i pojava. Inženjerskogeološko kartiranje, kao jedna od faza geotehničkog istraživanja, predhodi geofizičkim istraživanjima i istražnom bušenju. Kartiranjem se dobivaju podaci o litološkoj građi, morfološkim i hidrogeološkim pojavama, fizičko-mehaničkim i strukturno-tektonskim značajkama stijena kao i o suvremenim egzogenetskim pojavama. Podaci inženjerskogeološkog istraživanja prikazuju se na inženjerskogeološkim kartama različitih mjerila, sadržaja i namjena. 1.2.

Definiranje profesionalnih zadataka, odgovornosti i suradnje u geotehnici (europska radna grupa ISSMGE, ISRM i IAEG)

Potreba za zajedničkom radnom grupom glavnih međunarodnih udruženja geotehničara, radi definiranja stručnih područja inženjerske geologije i geotehničkog inženjerstva, ustanovljena je na sastanku predstavnika europskih nacionalnih grupa Međunarodnog udruženja za inženjersku geologiju (IAEG) u Helsinkiju u kolovozu 2001. Na tom se sastanku intenzivno raspravljalo o nacrtu izvještaja «Inženjerska geologija u Europi» koji je izradila Europska federacija geologa (EFG -Suárez and Regueiro, 2000). Na helsinškom sastanku zaključeno je da se radi o predmetu od velike važnosti za većinu europskih zemalja. U mnogim zemljama je pažnja fokusirana na podjelu odgovornosti između geologa i inženjera graditeljstva u procesu geotehničkog projektiranja. Sastanak je bio jednoglasan u odluci da EFG dokument nije prihvatljiv za ovu svrhu. Nadalje, na sastanku je odlučeno da se zatraži suradnja Međunarodnog udruženja za mehaniku tla i geotehničko inženjerstvo (ISSMGE) i Međunarodnog udruženja za mehaniku stijena (ISRM) za izradu pravih definicija područja inženjerske geologije i geotehničkog inženjerstva u kontekstu europske geotehnike. Prijedlog formiranja zajedničke radne grupe iznesen je u ožujku 2002. od strane Niek Rengersa, tadašnjeg predsjednika određenog od strane IAEG-a, Williamu van Impeu (predsjedniku ISSMGE-a) i Marcu Panetu, tadašnjem predsjedniku ISRM-a. Zadatak nove radne grupe bila je priprema nacrta o kojem su trebala raspravljati tri udruženja na europskoj razini. To je moglo voditi zajedničkom stavu ta tri udruženja o tom važnom predmetu na europskoj razini. Zajednički stav je tada mogao biti predstavljen europskim vlastima u raspravi o stručnom udruživanju i akreditaciji na europskoj i nacionalnim razinama. Pri tome, definicija zadataka i odgovornosti geotehničkih inženjera i inženjergeologa mora uzeti u obzir utjecaj različitih edukacijskih pozadina (temelja) kao i definicije osposobljavanja i praktičnog iskustva koje se mora razmotriti kao minimalni zahtjev kojeg treba ispuniti radi zauzimanja položaja u tim stručnim područjima u Europi. To je povezano s važnim i hitnim pitanjima kojima se mora pristupiti na europskoj razini, odnosno što mora biti sadržaj fakultetskih obrazovnih programa u inženjerskoj geologiji i geotehničkom inženjerstvu na dodiplomskoj i postdiplomskoj razini (za stjecanje diplome i magisterija). Ti se problemi moraju riješiti od strane prateće radne grupe koja se treba oformiti od strane ISSMGE-a, ISRM-a i IAEG-a. Prijedlog je oduševljeno prihvaćen od strane predsjednika ISSMGE-a i ISRM-a. Svaki od predsjednika imenovao je tri člana iz svog udruženja, kao što slijedi: 4

ISSMGE:

Mike Gamblin (Francuska) Član odbora ISSMGE-a Pedro Sêco e Pinto (Portugal) Potpredsjednik za Europu ISSMGE-a Luc Maertens (Belgija) Član TC 20 «Stručna praksa» ISSMGE-a

ISRM:

Einer Broch (Norveška) Wulf Schubert (Austrija) Häkan Stille (Švedska)

Bivši predsjednik ITA-e i ISRM-a Član odbora ISRM-a

IAEG:

Helmut Bock (Norveška) Rodney Chartres (UK) Jan Maertens (Belgija)

Predsjedavajući Zajedničke radne grupe Tajnik Zajedničke radne grupe

EFG:

David Norbury (UK)

Generalni tajnik

Zajednička Europska radna grupa je službeno formirana u srpnju 2002. Ona je održala svoj uvodni sastanak u ožujku 2003. u Bruxellesu, a u studenom 2003. svoj drugi sastanak u Grazu, Austrija. U određivanju stručnih zadataka, odgovornosti i suradnje inženjera geologije i geotehničkih inženjera, radna je grupa pratila osnovnu ideju koju je iznio Sir John Knill, 2002. Slika 1.2.1. prikazuje odnos između inženjergeologa i geotehničkih inženjera. Geološki materijal i njegova svojstva

Geneza/geologija

Ponašanje tla Profil

Geološki proces

Opažanje, iskustvo, intuicija, sinteza

Inženjerska geologija

Geološki model

Model tla

Prethodno iskustvo, intuicija, procjena rizika

Geotehničko inženjerstvo

tla

Istraživanje terena, opis tla.

Presedan, empirizam, iskustvo, upravljanje rizikom.

Geotehnički model numeričke analize Ponašanje tla

Laboratorijsko/terensko ispitivanje. Promatranje/ mjerenje.

Odgovarajući model

Idealiziranje praćeno procjenom. Konceptualno ili fizičko modeliranje. Analitičko modeliranje.

Slika 1.2.1. Odnos između inženjerske geologije i geotehničkog inženjerstva (nakon Knill-a 2002.). Slika 1.2.2. Burlandov trokut mehanike tla (korektnije: geotehničkog inženjerstva – Morgenstern, 2000).

Grupiranje glavnih aspekata svake od disciplina u formi trokuta povezuje se s Burlandom, koji je 1999. definirao «trokut mehanike tla» da bi vizualizirao glavne aspekte koji određuju tu disciplinu (slika 1.2.2). Interaktivni karakter različitih aspekata je također prikazan na toj slici «Geotehnička metoda nije serijska, nego ona uključuje povratnu reakciju između 5

prikupljanja podataka, materijala i modela idealiziranja, tehničke procjene, prosuđivanje (razboritost) i upravljanje rizikom» (Morgenstern 2000., str. 2). Svi aspekti moraju se poštivati uravnoteženo i niti jedan aspekt ne smije biti izostavljen. Knill (2002) je zaključio da s manjim izmjenama terminologije, Burlandov trokut mehanike tla može biti prilagođen prikazu opsega mehanike stijena, geotehničkog inženjerstva i, također, inženjerske geologije (slika 1.2.1).

Slika 1.2.3. Interakcija inženjerske geologije i geotehničkog inženjerstva. 6

U pokušaju sažetka svih gore navedenih načelnih aspekata, radna grupa je razvila dijagram na slici 1.2.3. Obje, i mehanika tla i mehanika stijena, su shvaćene kao discipline unutar šireg spektra, geomehanike. Sama geomehanika može biti prikazana kao trokut s tri pola «mehanika čvrstih tvari», «mehanika fluida» i «mehanika diskontinuuma». Unutar «trokuta geomehanika» mogu se locirati relativni položaji mehanike tla i stijena, kao što je prikazano na slici 1.2.3. Mehanika tla je disciplina koju karakterizira mehanička interakcija između čvrstih i fluidnih (tekućih) tvari, dok mehanika stijena ima jaku priklonjenost mehanici diskontinuuma s glavnim utjecajem od strane mehanike čvrstih tvari i mehanike fluida. Kritičan je prijelaz iz geološkog modela (izlaz iz trokuta inženjerske geologije; lijevo na slikama 1.2.1 i 1.2.3) u model tla (ulaz u trokut geotehničkog inženjerstva; desno na slikama 1.2.1 i 1.2.3). Model tla je modificirani geološki model s ugrađenim inženjerskim parametrima i svojstvima materijala (izlaz iz trokuta geomehanika; slika 1.2.3, vrh). Prijelaz između ta dva modela i s njima povezanih posebnosti karakterističnih parametara tla i stijene je vrlo interaktivan proces i ključan je u geotehnici. Iz slike 1.2.3 može se razabrati da postoji postupni prijelaz iz više geološki orijentiranih zadataka (lijevo) na inženjerski orijentirane zadatke (desno). S obzirom da su svi zadaci vrlo međuovisni, ne postoje jasno uočene granice unutar spektra aspekata prikazanih na slici 1.2.3. Međutim, postoji jasna preferenca prema inženjergeolozima i geotehničkim inženjerima u provođenju specifičnih zadataka i prihvaćanju stručnih odgovornosti. Za inženjergeologe ti su zadaci i odgovornosti detaljno opisani u poglavlju koje slijedi. 1.2.1.

Stručne nadležnosti inženjergeologa prema Nacrtu iz srpnja 2003.

U geotehnici ključna nadležnost inženjergeologa je prikaz geologije terena i njezin prijenos u prikladan i znanstveno valjan model tla. Ti modeli su ključni za bilo koji geotehnički dizajn. Stvaranje geotehničkih modela zahtijeva prikupljanje, tumačenje i sintezu različitih i često fragmentiranih geoloških i tehničkih podataka. Modeli tla su pretvoreni geološki modeli s uključenim parametrima potrebnima za inženjersku analizu i obično su ustanovljeni na temelju suradnje s geotehničkim inženjerima. Poznavanje geoloških procesa i svijest o prirodnom okruženju kroz rad na terenu daje inženjergeolozima ključnu nadležnost u prevenciji geološkog hazarda i u pitanjima geookruženja. Primjer je ocjena kompatibilnosti građevinskih konstrukcija s geološkim okruženjem. Te su nadležnosti od sve veće važnosti u gradskom i regionalnom planiranju. Nesigurnost i rizici su glavna briga inženjergeologa. Geološka promatranja će uvijek ostati samo djelomična jer većina tla i stijena nikad neće biti u potpunosti izloženi te su ili zakopani ili na drugi način prikriveni. Nesigurnost u uvjetima tla, bez obzira na podrijetlo, doprinosi riziku da se projekt neće uklapati u proračun ili ciljeve programa, ili da može propasti. 7

Inženjergeolozi doprinose kroz formalne postupke procjenama rizika i njihovim upravljanjem što je također veliki problem u osiguranju i u sudskim postupcima. Općenito, inženjergeolozi su upoznati s pripadajućim geoznanstvenim metodologijama. Oni razumiju fizičko, mehaničko i kemijsko ponašanje geoloških materijala i sposobni su ustanoviti i protumačiti geološka događanja i procese, uključujući i takva koja mogu utjecati na projekt za vrijeme njegovog trajanja. Oni posjeduju znanja osnovne inženjerske terminologije i metoda za komunikaciju s geotehničkim inženjerima te za razumijevanje inženjerskih zahtijeva za dizajn i konstrukciju geotehničkih građevina. Osim toga, inženjergeolozi su svestrani u specijaliziranim metodama, posebice: Obuka za posao na terenu. Inženjergeolozi su posebno obučeni za rad na terenu. Iz pregeleda terena, te prirodnih i umjetnih izdanaka oni mogu utvrditi geološke osobine i procese koju su važni za geotehniku. Primjeri su vlačne pukotine na vrhu i zbijene strukture u dnu padina - koje upućuju na nestabilnost širokih razmjera, ili morfološke depresije i suhe doline - koje mogu upućivati na krški teren. Svestranost u rukovanju kartografskim dokumentima, mapama i geoinformacijskim sistemima. Inženjergeolozi, kao i ostali geolozi, su svestrani u predstavljanju složenih prostornih i vremenskih informacija u kartografskim dokumentima. Oni su vodeći u rukovanju i tumačenju 3-D i 4-D geotehničkih podataka putem informacijske tehnologije i širokog područja najnovijih dostignuća u tehnikama istraživanja terena (npr. instrumentalno bušenje, 3-D seizmički podaci, satelitske slike). Inženjerskogeološke karte, baze podataka i geoinformacijski sistemi (GIS) su nezamjenjivi za visoko razvijenu infrastrukturu. Upoznatost s izlomljenim materijalima i materijalima podložnim starenju. Stijene i prekonsolidirana tla čine materijal koji je u svojoj unutrašnjosti izlomljen. Takvi lomovi su pokazatelji prošlih i sadašnjih geoloških procesa, npr. pucanja, rasjedanja i starenja (trošenja). Oni imaju značajne učinke na mehaničko ponašanje tala i stijena. Inženjergeolozi su razvili metode procjene, klasifikacije, opisa i prikaza podataka ravnina loma (npr. tehnika hemisferne projekcije). Nadalje, oni su razvili sredstva za mehaničke analize i dizajn lomnih sistema (npr. «ključni blokovi» i analize odrona). Sinteza fragmentarnih podataka zasnovanih na razumijevanju nastanka. Prikaz sveobuhvatnih geoloških modela zahtijeva sintezu različitih, visoko fragmentarnih podataka iz geoloških i geomorfoloških dokaza i iz geotehničkih i geofizičkih istraživanja terena. Tu je sintezu najbolje provoditi temeljem razumijevanja nastanka geologije terena. Inženjergeolozi kao i ostali geolozi upoznati su s genezom geološkog materijala, struktura, procesa i vrstma tla. Promatranje i analiza geoloških podataka kao ključ problema u sporovima koji proizlaze iz ugovora. Sporovi koji proizlaze iz ugovora, posebno oni koji uključuju nepredviđene uvjete na terenu su u sve većem porastu u današnjem geotehnici. Troškovi arbitraža i sudskih postupaka te posljedični financijski rizici su znakoviti. Takva situacija nameće sve veće zahtijeve za pravilnim pohranjivanjem i dokumentiranjem informacija te za njihovo pažljivo tumačenje. Inženjergeolozi 8

su obučeni da promatraju, utvrđuju, opisuju i klasificiraju geološke i tehničke fenomene na terenu i na gradilištima te da primijene analize i sinteze prikupljenih podataka. Preduvjeti za razvoj nadležnosti inženjergeologa su školovanje na tercijarnoj razini i višegodišnje iskustvo stručne prakse na terenu. Inženjergeolozi su najbolje obučeni kroz prvi stupanj geologije ili specijalistički stupanj u (nekom) području, nakon čega slijedi poslijediplomsko stručno usavršavanje koje pruža osnove geookoliša, hazarda, hidrogeologije, mehanike tla i stijena, temeljenja i podzemnih građevina. 1.2.2. Osnovna razmatranja o neophodnosti i mogućnostima suradnje inženjera graditeljstva i inženjergeologa Školovanje inženjera graditeljstva i inženjergeologa je različito. Dok su inženjeri graditeljstva uobičajeno školovani i obučavani u matematičko i mehaničko temeljenim znanostima kao što su statistika, geotehnika, konstruktivno inženjerstvo itd., školovanje inženjergeologa je uglavnom zasnovano na prirodnim znanostima kojima su pridodani neki inženjerski predmeti. Međutim, obje karijere imaju, usprkos različitim prioritetima i mogućnostima, koje su neophodne u složenosti projekata građenja, nekoliko dodirnih točaka. Posebno je prilikom građenja tunela važna suradnja inženjera graditeljstva i inženjergeologa. Primjera radi, nehomogene stijene i stanje podzemne vode imaju veliki utjecaj na nosivost i deformacijsko ponašanje tih konstrukcija. Zbog toga je potreban program detaljnih istraživanja te kvalificirano geotehničko i geološko tumačenje i modeliranje. Tipično područje inženjera graditeljstva je ispitivanje stabilnosti građevine (Ultimate Limit State – ULS /Kritično granično stanje) i upotrebljivosti (Serviceablity Limit State – SLS /Granično stanje upotrebljivosti) građevine zbog Eurokoda (posebno EC 1 i EC 7) i odgovarajućih nacionalnih tehničkih standarda (kodova, preporuka, smjernica, itd.). Osnovna aktivnost inženjergeologa je procjena prirodnih uvjeta (okolnosti). Suradnja obje profesije je u procjeni podpovršinskih uvjeta prije i za vrijeme konstrukcijskog procesa. Suradnja inženjergeologa i geotehničkih inženjera leži u procjeni podpovršinskih uvjeta prije i za vrijeme realizacije ambicioznih projekata, posebno u području nosivosti i deformacijskih ponašanja, koja su pod jakim utjecajem nehomogenosti i različitosti podpovršinskih uvjeta. Suradnja između inženjera graditeljstva i inženjergeologa je neophodna, posebno za vrijeme problematičnih građevinskih projekata s posebnim naglaskom na nosivost i deformacijsko ponašanje koje je pod jakim utjecajem nehomogenosti i različitosti podpovršinskih uvjeta. Primjeri su: • • • •

Konstrukcije tunela Pojačanja (sanacija) kosina Podpovršinsko modeliranje Geotehnika okoliša 9

Posebno prilikom konstrukcija tunela, nehomogene stijene i stanje podzemne vode imaju odlučujuću važnost za nosivost i deformacijsko ponašanje građevina i stoga je neophodna detaljna istraga tih uvjeta. Da bi se smanjili rizici tijekom procesa građenja, osnovnu važnost čine odgovarajuće znanje i procjena podpovršinskih uvjeta. 1.2.3.

Postupak planiranja i proces projektiranja u geotehnici

Na slici 1.2.3.1. shematski je prikazan postupak planiranja i projektiranja u geotehnici. 1) Tijekom prvog koraka u projektu – odabir terena, rute puta – izvodi se sljedeći postupak: • Ispitivanje geoloških uvjeta i posebnosti na osnovnoj razini (uključujući tektoniku, pseudotektoniku, rizike potresa, špilje itd.). • Dizajn, ponuda za javno nadmetanje, realizacija i geomehanička i geološka procjena te ocjena prvih preliminarnih istraživanja tla s ciljem pripreme prvog koncepta mogućnosti raspoloživih načina građenja. • Opća odluka o lateralnom položaju linije u odnosu na nagib i konceptualna prethodna odluka konstrukcijskog dizajna.

1) Odabir terena obzirom na trasu

2) Istraživanje uvjeta podtla

Upravljanje građenjem, pravni aspekti, ugovor i

3) Razrada modela podtla

zadatak obračunavanja (računovodstva) 4) Statički proračun (dimenzioniranje) uključujući potvrdu

5) Osiguranje kvalitete i mjerenjima (oskultacijama) kontrolirana realizacija projekta

Slika 1.2.3.1.

Planiranje i proces projektiranja u geotehnici. 10

2) Drugi korak u projektu – glavno istraživanje tla – bavi se sljedećim postupcima: • Dizajn, ponuda, realizacija, procjena i ocjenjivanje istraga dizajna podpovršinskih uvjeta i stanja podzemne vode uključujući i izbor tehnika istraživanja za točnu analizu prirodnih uvjeta: - pregled jezgre geološkog bušenja uključujući istraživanje terena - terenska geomehanika i laboratorijsko testiranje - (inženjersko)geološka istraživanja (stratigrafija, tektonika, sedimentologija, mineralogija/petrografija i hidrogeologija) - geofizička mjerenja 3) U trećem koraku – razvoj geotehničkog modela tla – obavljaju se sljedeće radnje: • Volumetrijska procjena slučajno usmjerene istrage tla s upotrebom rezultata običnog i volumetrijskog geofizičkog mjerenja. • Određivanje karakterističnih parametara tla s uporabom metoda determinističke i statističke procjene, uključujući «inženjersko odlučivanje». • Sinteza geotehničih modela (trodimenzionalne, kronološke, karakteristične kalkulacijske vrijednosti uključujući standardne devijacije). U ovom koraku se pojavljuju najveći problemi. Kao posljedica znakovitosti slučajnog testiranja direktnog istraživanja tla ostaje neizbježan rizik, takozvani podpovršinski rizik, koji je glavni problem geotehničkog modeliranja. 4) Za vrijeme četvrtog koraka – dimenzioniranje (proračun) konstrukcije uključujući njegovu verifikaciju - («provjeračetvoro-očiju» od strane iskusnog inženjera) - izvode se sljedeći radovi: • Dimenzioniranje (proračun) konstrukcije. • Strukturalno statičko modeliranje konstrukcijskog sustava (dvodimenzionalno, trodimenzionalno, vremenski ovisno) u odnosu na interakciju tlo-građevina (Katzenbach i dr., 1998; Paul, 1998) • Priprema i verifikacija stabilnosti građevine (ULS – kritično granično stanje) uzimajući u obzir visoki stupanj statičke neodređenosti sistema koji se sastoji od podtla i građevine (tlo-građevina-interakcija). Na primjer: - klizanje - naginjanje - narušavanje nosivosti tla - narušavanje stabilnosti kosine - dimenzioniranje građevine 11

• Priprema i verifikacija dokaza uporabivosti građevine (SLS – granično stanje uborabivosti). Na primjer: - sljeganje i diferencijalno sljeganje - horizontalni pomaci 5) U petom koraku planiranja i projektiranja u geotehnici – osiguranje kvalitete i kontrolna mjerenja konstrukcije – poduzimaju se sljedeći koraci na EC-utemeljenoj filozofiji «Opservacijske metode» (Katzenbach & Gutwald, 2003). • Dokumentiranje, procjena i ocjena stanja in-situ uvjeta upotrebom geotehničkih metoda za «čuvanje dokaza» na terenu: - Kartiranje iskopa i površine potkopa. - Nadgledanje mjerenja (program geotehničkog i geodetskog mjerenja). • Stalno provjeravanje i ekstrapolacija - geotehničkog modeliranja i - građevinskog projekta i verifikacija stabilnosti i upotrebljivosti građevine. 1.2.4.

Definiranje rizika podtla

Rizik podtla je neizbježan preostali rizik koji može dovesti do nepredviđenih učinaka i poteškoća tijekom upotrebe podzemlja, s obzirom na uvjete u njemu: podzemna voda, kontaminacija itd. (Englert, 1995; Katzenbach, 1995). Rizik podzemlja postoji: • iako je osoba koja daje uvjete u podzemlju učinila sve za cjelokupnu istragu i otkrivanje obilježja (karakterizaciju) podzemlja i uvjeta podzemne vode u odnosu na postojeće, ažurirane standarde i zakone; • iako je ugovorna strana ispunila sve zahtjeve ispitivanja i obavještavanja. Razlog rizika podtla (neizbježni preostali rizik) leži u ograničenim informacijama geotehničkih istraživanja i složenog, prirodom predodređenog materijala podtla (uključujući njegove sastojke) koje se mogu samo približno okarakterizirati tehničkim modeliranjem. Geotehnička istraživanja podtla procijenjena su ispitivanjima na slučajno odabranim uzorcima. Upotreba stohastičkih metoda za procjenu stanja podtla u testiranom području – koja se odnosi na prirodni materijal tla ima samo reprezentativni karakter i nije potvrđena. Neophodnost potrebe suradnje inženjergeologa i geotehničkih inženjera u prvom redu leži u procjeni uvjeta podtla, prije i za vrijeme procesa građenja, kod ambicioznih projekata s posebnim naglaskom na nosivost i deformacijsko ponašanje koje je pod jakim utjecajem nehomogenosti i različitosti uvjeta podtla. Suradnja između inženjera graditeljstva i inženjergeologa (interakcija – prožimanje ) jednostavno je prikazana slikom 1.2.4.1. 12

Inženjer graditeljstva

IDENTIFIKACIJA I VERIFIKACIJA KONSTRUKTIVNE • •

STABILNOSTI UPOTREBLJIVOSTI

Slika 1.2.4.1.

Inženjergeolog

OCJENA UVJETA PODTLA PRIJE I ZA VRIJEME IZGRADNJE

PROCJENA OKOLIŠA

Suradnja između inženjera graditeljstva i inženjergeologa.

1.2.5. Aktualna pitanja koja se odnose na stručnu praksu inženjerske geologije u Europi Tijekom prošlih godina dogodio se bitan pomak u stavovima prema transparentijem stručnom radu, posebno u područjima koja se odnose na stručnost i odgovornost. Pojačana je potreba da stručnjaci iznose javnosti (senso lato) postavke, mjere i demonstriraju postignuća prihvatljivih standarda. Razvoj neophodnih razina stručnosti i odgovornosti pohranjen je u nacionalnim stručnim kvalifikacijama. Održavanje tih razina neformalno je postizano učenjem kroz cijeli život, općeg naziva CPD (kontinuirani profesionalni/stručni razvoj, permanentno obrazovanje). Danas se pojačano javlja potreba za pokazivanjem (demonstracijom) da je tražena kompetencija postignuta i da se održava. Ti su se trendovi pojavili na nacionalnoj razini, ali i u prijedlozima nastalim u Europskom parlamentu u Bruxellesu. Inženjerska geologija pripada profesiji geotehnike koja prakticira projektiranje sa ili u geološkim materijalima. Geotehnika je od velike ekonomske važnosti te doprinosi boljitku društva pružajući sredstva učinkovitih geotehničkih građevina i održive upotrebe resursa i prostora. Često se to ne cijeni od strane javnosti budući da je većina geoinženjerskih rješenja sakrivena u zemlji. Bilo kako bilo, geotehničke građevine (konstrukcije) su svjedočanstvo bitnih tehnoloških i intelektualnih postignuća.

13

Ovaj bitni doprinos inženjerske geologije (ali i geotehnike u cijelini) boljitku u zaštiti društva uključuje: • • • • • •

sigurnost stambenih, trgovačkih i industrijskih građevina, nužnu opskrbu energijom i mineralnim resursima, ublažavanje geoloških hazarda, ublažavanje opasnosti izazvanih čovjekovom aktivnošću, učinkovito funkcioniranje inženjerske infrastrukture i doprinos održivom okolišu.

Geotehnika je zasnovana na stručnom doprinosu geologa i inženjera, i posebno uključuje znanstvene discipline: inženjersku geologiju, mehanku tla, mehaniku stijena, hidrogeologiju i geomehaniku rudarstva. Izvedba takvih projekata zahtijeva doprinos cijelog niza znanstvenika i stručnjaka inženjerstva, a ti stručnjaci moraju biti sposobni međusobno komunicirati da bi se složili oko teoretskih modela i parametara unutar tih modela. Nadalje, vjerojatno je još važnija potreba komunikacije s drugim zainteresiranim stranama i ne manje bitno, s nositeljem projekta. Stoga praksa inženjerske geologije zahtijeva komunikaciju o zapažanjima, rezultatima testiranja i modelu tla. Takva komunikacija mora biti nedvosmislena i jasna za razumijevanje ako se posao želi obavljati bez teškoća. U današnje vrijeme, kada inženjerski projekti postaju sve više međunarodnog karaktera, ovakva jasna komunikacija mora biti prisutna između praktičara iz različitih zemalja koji koriste zajednički međunarodni jezik. Nacionalne kodifikacije opisne terminologije i postupci testiranja na terenu i u laboratoriju se pojavljuju unatrag trideset godina, ali sljedeći korak predstavlja zamjena nacionalnih standarda međunarodnima. Taj proces se pokazuje plodonosnim u prvoj dekadi 21. stoljeća. Kao drugi stručnjaci, inženjergeolozi moraju pokazati da su stekli dovoljnu i odgovarajuću obuku i iskustvo da bi djelovali kao kompetentni stručnjaci. Krajnji zahtjev za takvim priznanjem dolazi od klijenata i društva kao cjeline, ali priznanje tih razina postignuća dolazi od kritičkog osvrta unutar struke. Institucija kritičkog osvrta (revizija) raspoloživa je nacionalnim institucijama mnogih zemalja u posljednjih nekoliko godina. Navedene definicije i kratki opis problematike kojom se bave određene znanstvene grane unutar geologije i srodna polja unutar područja znanosti o Zemlji, dovoljno jasno upućuju na složenost njihove zadaće i široku mogućnost primjene postignutih znanja i teorijskih razmatranja u praksi.

14

1.3. Osnovni pojmovi o Zemlji kao nebeskom tijelu

1.3.1. Zemlja u sklopu Sunčeva sustava Zemlja je jedan od devet planeta Sunčeva sustava, koji se oko Sunca kreću u približno istoj ravnini i u istom smjeru. Suncu najbliži planet jest Merkur, a zatim slijede Venera, Zemlja, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun i Pluton (slika 1.3.1.1).

Slika 1.3.1.1. Shematski prikaz Sunčeva sustava, kakvog danas poznajemo. Slika 1.3.1.2. (a) Krater od udarca meteora u blizini Winslowa, Arizona, za koji se vjeruje da je nastao djelovanjem relativno malog meteora prije oko 50000 godina. Ima promjer oko 1,6 km te dubinu 170 m (preuzeto iz Chernicoff & Whitney, 2007). (b) Za cirkularni bazen koji tvori Manicougan Lake (promjera 75 km) u Quebecu - Kanada, također se misli da je nastao pod djelovanjem meteorita prije oko 214 milijuna godina. Ispitivanja stijena iz blizine obaju područja pokazala su prisutnost vrste SiO2 koji nastaje pod ekstremno visokim tlakom (stishovite). Spoznaje o uvjetima nastanka stishovita potkrijepljuju hipotezu koja pretpostavlja meteorsko porijeklo gore navedenih struktura (preuzeto iz Chernicoff & Whitney, 2007). 15

U Sunčevu sustavu još se nalazi i 60 satelita koji su prirodni pratitelji nekih planeta te više od 2000 manjih tijela, asteroida i planetoida, smještenih uglavnom između Marsa i Jupitera. Kad se neki od njih raspadnu, dijelovi mogu pasti na Zemlju kao meteroiti (slika 1.3.1.2). Zemlja je udaljena od Sunca 150 milijuna km i ima jednog prirodnog pratitelja – Mjesec. O postanku Zemlje i ostalih članova Sunčeva sustava postoje različite teorije i hipoteze, od kojih svaka ima svoje pobornike i protivnike. Pri tome treba naglasiti da, s geološkog stajališta, još niti danas ne možemo prihvatiti bilo koju od njih. U nastavku, sažeto su prikazane samo neke. Nebularna hipoteza. I. Kant (1724-1804) pretpostavio je da su Sunce i planeti njegova sustava nastali istodobno iz nebule, kojim se imenom označava tvar u meduzvjezdanom prostoru. P. S. de Laplace (1749 - 1827), nezavisno od Kanta, iznio je teoriju o toj problematici na osnovi poznavanja dinamike Sunčeva sustava, prvenstveno masa tijela i rasporeda njihovih putanja (orbita). On je zamislio primordijalno stanje Sunčeva sustava kao golem sferičan oblak (nebulu) vrućih plinova u slaboj rotaciji. Zbog vlastite gravitacijske privlačnosti masa se, prema toj teoriji, skupljala i rotacija ubrzavala u skladu s načelom sačuvanja količine kutnoga gibanja. S tim u vezi nebula je postajala sve plosnatija po ravnini okomitoj na os rotacije. Centrifugalna sila na rubu nebule mogla se izjednačiti s gravitacijskom silom pa je obodna masa prestala tlačiti na središnju masu. Kad se središnja masa stisnula, na njezinu se obodu oblikovao prsten. Pretpostavlja se da je takav proces bio ponovljen nekoliko puta, a rezultat je bio nastanak Sunca, planeta i satelita. Sunce se oblikovalo od središnje mase, a planeti i sateliti od otkinutih dijelova, s tim da su planeti nastali odvajanjem od mase Sunca, a sateliti u analognom procesu odvajanjem od mase planeta. Nebularna hipoteza nije mogla objasniti današnji raspored kutnoga gibanja u Sunčevu sustavu. Iako je Sunce najveće tijelo sustava, na njega otpada samo oko 2 % kutnoga gibanja, pa mu je rotacija polagana. Planeti i sateliti s ukupno manje od 1 % mase, imaju oko 98 % kutnog gibanja sustava. Na toj osnovi ne može se objasniti današnji položaj planeta. Planetezimalna hipoteza. Oko 1900. R.T. Chamberlin i F. R. Moulton postavili su planetezimainu hipotezu na temelju zamišljenog mogućeg događaja u svemiru, nakon formiranja Sunca. Po njihovu mišljenju, Sunce se u određenim okolnostima sastalo s nekom zvijezdom. Zbog gravitacijskog privlačenja na Suncu su nastale izbočine koje su još i povećane Sunčevom unutrašnjom eruptivnom aktivnošću. Zbog toga su velike količine plinovite materije izbačene iz Sunčeve mase do udaljenosti koju danas imaju planeti. Ta je materija oblikovana u spiralne krakove (sl. 1.3.1.3, 1.3.1.4) koje je i dalje vukla prolazeća zvijezda, pa se njihova kutna količina gibanja povećava nezavisno od Sunčeve rotacije. Materija spiralnih krakova brzo se hladila pa su nastajale kapljice i čvrste čestice koje su nazvane planetezimale. Njihovo je kretanje u početku bilo nepravilno, pa su se sudarale i skupljale u veće mase, a gibanje im je postajalo pravilnije. Tako su nastali planeti u različitoj udaljenosti od Sunca i s povećanom kutnom količinom gibanja. Time se pokušalo odgovoriti upravo na pitanja koja su ostala otvorena u nebularnoj hipotezi. No, kasnije se ustanovilo da Sunčeve izbočine nisu posljedica unutrašnjih eruptivnih procesa, pa nisu ni mogle pomoći plimskim silama zvijezde u odvlačenju materije dalje od Sunca. Zbog toga hipoteza nije prihvatljiva, bez obzira na mogućnost ili nemogućnost susreta zvijezda na opisani način. 16

Slika 1.3.1.3. Nastanak Sunčeva sustava (preuzeto iz Chernicoff & Whitney, 2007). Naš Sunčev sustav rođen je prije 5 milijardi godina kada je oblak međuzvjezdanog plina u Mliječnoj stazi kolabirao (možda potaknut Zvijezdom koja je eksplodirala u blizini) tako oblikujući Sunce. Sjemena naših planeta, nazvana planetezimalama, postupno su se oblikovala iz čestica koje su se kondenzirale i spojile u sve veće nakupine tvari koje su kružile oko Sunca. Slika 1.3.1.4. Odvajanje planetezimala po Chamberlinu i Moultonu (zvijezda u prolazu/spiralni krakovi) – mala slika u slici (po Mc. Laughlinu; preueto. iz Herak, 1990). Slika 1.3.1.5. Zagrijavanje i diferencijacija mlade Zemlje (preuzeto iz Chernicoff & Whitney, 2007). Vjeruje se da je rastuća temperatura u unutrašnjosti planeta, koja je uglavnom uzrokovana sudarima planetizamala i raspadom radioaktivnih supstanci, odgovorna za uslojavanje unutrašnjosti Zemlje. Slika 1.3.1.6. Razvoj Sunčeva sustava iz globule prema protoplanetnoj hipotezi (po McLaughlinu; iz Kaya i Colberta, preuzeto iz Herak, 1990). 17

Plimska hipoteza. Ovu su hipotezu predložili J. Jeans i H. Jeffreys 1925. kao varijantu planetezimaine hipoteze. I oni su pretpostavili da je neka zvijezda prošla mimo Sunca te je, zbog privlačne sile, izazvala otkidanje mlaza Sunčeve plinovite materije, ali je nije potpuno privukla. Postupnim udaljavanjem od Sunca njezina je privlačna sila bila sve manja. Zbog toga je materija otkinuta od Sunca ostala odvojena, hladila se, zgušnjavala i raspala u više dijelova od kojih su formirani planeti u Sunčevu sustavu. Na isti način trebali su nastati i sateliti. Prema tome ta hipoteza pretpostavlja više slučajnih koincidencija. Osim toga prigovoreno je i prikazu procesa koji traži uvjete kakvih danas nema, a teško ih je zamisliti i u prošlosti. Hipoteza Sunčeva blizanaca. Ova hipoteza polazi od pretpostavke da je Sunce u početku imalo zvijezdu-blizanca od koje su nastali planeti. Po jednom shvaćanju (R. A. Lyttleton) blizanca današnjeg Sunca odvukla je neka zvijezda u prolazu, ali ga nije i privukla, pa je materija ostala u sferi djelovanja Sunca i od nje su nastali planeti. Kutna količina njihova gibanja zapravo potječe od kutne količine gibanja tog blizanca. Po drugoj pretpostavci (F. Hoyle) zvijezda blizanac doživjela je eksploziju karakterističnu za zvijezdu tipa supernove, a iz njezine materije nastali su planeti. U jednom i drugom slučaju gravitacijska kohezija bila bi preslaba da materiju zvijezde-blizanca zadrži na okupu. Osim toga, hipoteza je zasnovana na previše pretpostavaka, a poput ostalih spomenutih, potpuno zapostavlja kemijski sastav svemira, zvijezda (među njima i Sunca) i planeta. Globularna hipoteza. Polazište ove hipoteze jesu globule, kako se nazivaju okrugle i veoma neprozirne nakupine u svemiru slične onima koje i danas vidimo u nebulama Laguna i Rosetta. F. Whipple (1948), prvi je pokušao naći vezu između njih i postanka Sunčeva sustava, uvažavajući i tadašnje znanje o kemizmu svemira. Promjer globula, prema približnoj procjeni, može biti nekoliko tisuća puta veći od Zemljine putanje, a masa slična masi neke zvijezde. Proračuni su pokazali da se hladni oblaci takva opsega i mase mogu kontrahirati zbog gravitacije. Zato se smatra da su globule zapravo zvijezde u nastajanju, a oblikuju se od međuzvjezdanog plina i prašine. Čini se također mogućim da su i Sunce i planeti nastali gravitacijskom kontrakcijom takve globule ili »oblaka prašine«, i da je postanak planeta bio normalan popratni događaj uz stvaranje zvijezda. Zbog kontrahiranja globule pod utjecajem vlastite privlačne sile, materija se komprimirala sve dok unutrašnja temperatura nije porasla za nekoliko milijuna stupnjeva. Pri toj temperaturi mogu početi nuklearne reakcije uz stvaranje topline pa dalje nema kontrakcije. Nuklearne reakcije u jezgri održavaju stalnu opskrbu toplinskom energijom koja se isijava u prostor. Glavna nuklearna reakcija je stvaranje helija iz vodika, uz oslobađanje energije koja se odražava u sjaju zvijezda. Sjaj zvijezde je približno proporcionalan kubu njezine mase, pa velika zvijezda brže potroši svoje atomsko gorivo nego mala. Zato su upravo velike zvijezde važne za sastav svemira u cjelini. Ne samo da one u svojoj nutrini stvaraju helij iz vodika, već potkraj njihova života u njima nastaju i elementi teži od helija, osobito kisik, željezo i dr. U završnom stadiju zvijezda dostiže veoma veliku gustoću i visoku temperaturu, a na kraju može kao super nova doživjeti ekspoloziju koja raspršuje materiju iz unutrašnjosti zvijezde u svemirski prostor, gdje se miješa s interstelarnim plinom i prašinom. Budući da se goleme zvijezde naglo razvijaju, pa im život traje svega nekoliko desetaka milijuna godina, u razvitku naše galaksije moglo je biti više generacija tih »tvornica« teških elemenata. 18

To je u skladu s hipotezom da se svemir prvotno sastojao samo od vodika i nešto helija a svi teži elementi, koje danas nalazimo u svemiru, stvoreni su u unutrašnjosti golemih zvijezda koje su nestale. Razlike u kutnoj količini gibanja Sunca i planeta pokušavale su se objasniti uz pomoć spoznaje da u rotirajućoj nebuli postoji turbulencija bez obzira kakva je oblika osnovna rotacija. Posljedice se uspoređuju s trenjem u tekućini, pa brže čestice mogu ubrzati spore - uz istodobno usporavanje brzih. Na taj se način pokušalo objasniti usporavanje središnjeg dijela globule i ubrzanje perifernih dijelova, pa i stvaranje oblika diska. Ta koncepcija može objasniti pojavu kvalitativno, ali ne i kvantitativno. Protoplanetska hipoteza. Polazeći od globula, G. Kuiper je 1950. razvio svoju protoplanetsku hipotezu. Pretpostavio je da je Sunce mnogo mlađe nego naša galaksija kao cjelina i da je nastalo prije oko 5 milijardi godina. Od globula se stezanjem i rotiranjem formirao disk (v. sliku 1.3.1.6). Miješanjem i sudaranjem čestica u disku je nastao sustav vrtloga. Trenje u turbulentnom prostoru pridonosilo je ukidanju radijalnog gibanja, pa je tako nastalo približno kružno gibanje čitave mase oko središta. Centralni dio mase (oko - 9/10) formiran je postupno u današnje Sunce, a samo je 1/10 današnje mase Sunca ostala u regiji diska i iz nje su oblikovani planeti. No i to je bila golema masa, jer današnji planeti sadržavaju samo 2 % mase prvotnog diska, dok je ostali dio diska (98 %) izgubljen u prostoru. To se dogodilo jer su se lagane i brze molekule vodika i atomi helija u stadijima oblikovanja planeta lako mogli oteti privlačnoj sili ostalih dijelova planetarnog sustava. Rotirajući je disk postao zbog centrifugalne sile jako plosnat (debljina 1 do 2% promjera). U disku se nastavilo zgušnjavanje, a to se moglo dogoditi samo tako da je gravitacijsko privlačenje preraslo plimsko djelovanje središnje mase globule. Lokalna okupljanja u disku uzrokovala su njegovo raspadanje i formiranje nakupina u različitoj udaljenosti od središnjeg tijela. Te su nakupine nazvane protoplaneti; oni su dalje rotirali i stanjivali se. Svaki od njih prikupljao je i okolne čestice pa su postigli veličinu koja je prelazila veličinu današnjih planeta. Protoplaneti su bili hladni, sastojali su se pretežno od vodika i helija uz mnogo leda (uglavnom spojeva vodika), a također metala i silikata. Na periferiji su se mogle gubiti molekule vodika i atomi helija. Gubici su bili veći u manjih planeta zbog slabijeg privlačenja. Tako je protoplanet od kojeg je nastala Zemlja imao velike gubitke, a protoplaneti Jupitera i Saturna malene. Gravitacijskom kontrakcijom zgusnula se središnja masa globule, a time je povišena i temperatura u unutrašnjosti te mase za više milijuna stupnjeva. Zbog prodiranja vrućih plinova na površinu, ta je masa postala sjajna i prije početka nuklearnih reakcija. Prijelaz od tinjajućeg oblaka do sjajne zvijezde bio je »nagao« u svemirskim vremenskim relacijama. S tim u vezi veći dio leda pretvorio se u paru i nestao. Tlak Sunčevih zraka i čestica izbačenih od Sunca uklonio je sve plinove bližih planeta, a djelomično i daljih. Tako je i protoplanet Zemlje izgubio praktički sve svoje slobodne plinove, pa je Zemlja sastavljena od ostataka silikata i metala. Računa se da masa Zemlje iznosi samo 1/20 mase njezina protoplaneta. Svaki protoplanet mogao je proći razvitak analogan onomu koji se pretpostavlja za čitavu globulu, pa su tako mogli nastati sateliti ili trabanti. Neki su vanjski sateliti mogli nestati u svemirskom prostoru. Po toj koncepciji postanak Mjeseca tumači se na dva načina. Ili je on nastao paralelno sa Zemljom kao posebno zgušnjavanje u istom protoplanetu, ili ga je Zemlja zarobila za vrijeme stadija protoplaneta. Zemlja se, kao sustav kako ga danas percipiramo, sastoji od nekoliko koncentričnih lupina (zona). Diferencijacija tih zona prikazana je na sl. 1.3.1.5, a pojednostavljeni prikaz unutrašnje građe zemlje dat je na sl. 1.3.2.1. 19

1.3.2. Konstitucija Zemlje Zemlja je u cjelini zonalno (lupinasto) građena (sl. 1.3.1.5). To potvrđuju različite pojave. Tako prema dubini raste gustoća od 2,7 g/cm3 do >13 g/cm3 (v. sl. 1.3.2.1.a). Isto vrijedi za temperaturu, pa se računa da ona u središtu doseže i >5000 °C. U širenju potresnih valova zapaženo je da prema dubini postoji više ploha diskontinuiteta, na kojima se brzina potresnih valova znatno mijenja. Za ispravnu interpretaciju te pojave osobito je zaslužan naš geofizičar A. Mohorovičić (1857-1936). Kasnije su drugi autori utvrdili postojanje i drugih diskontinuiteta. Najvažniji se ovdje spominju. • Andrija Mohorovičić 1909. analizom seizmograma potresa u Pokuplju dokazuje da zemlja ima koru, koju od plašta odvaja ploha koja se danas zove Mohorovičićev diskontinuitet. Taj je diskontinuitet nalazi se na prosječnoj dubini ispod kontinenata od 30 do 50 km, a ispod oceana od 10 do 12 km. Kasnije je objašnjeno više ploha diskontinuiteta prema središtu Zemlje.

•

•

Beno Gutenberg (SAD, 1914) otkriva na dubini oko 2900 km plohu koja dijeli plašt od jezgre, danas poznatu kao Wiechert-Gutenbergov diskontinuitet (danas poznata i kao D''-zona; v. slike 1.3.2.1 i 1.3.2.1.a), a obilježava granicu izmedu donjeg plašta (mezosfere) i jezgre (barisfere). Inge Lehman (Danska,1936) otkriva diskontinuitet unutar Zemljine jezgre, koji dijeli tekuću vanjsku jezgru od krute unutrašnje jezgre (v. slike 1.3.2.1 i 1.3.2.1.a).

Slika 1.3.2.1. Kompilacija prikaza konstitucije zemlje. Kontakt jezgre (desni dio slike) i donjeg plašta može imati izraženi reljef (iz Chernicoff & Whitney, 2007). 20

Prikaz konstitucije (građe) zemlje, tj. presjek Zemlje s prikazom prirasta brzina longitudinalnih valova (uzdužnih - P) i transverzalnih seizmičkih valova (poprečnih, smičućih - S), gustoće ( ρ) i temperature (T) – u odnosu na dubinu, prikazani su na slikama 1.3.2.1.a-b.

Slika 1.3.2.1.a. Presjek Zemlje s prikazom prirasta brzina longitudinalnih valova (uzdužnih - P) i transverzalnih seizmičkih valova (poprečnih, smičućih - S), gustoće ( ρ) i temperature (T) – u odnosu na dubinu (prema Anderson & Hart, 1976; iz Wenk & Bulakh, 2006). Slika 1.3.2.1.b. Unutrašnja građa zemlje (iz Chernicoff & Whitney, 2007). Usporedni prikaz sa slikom 1.3.2.1.a pokazuje stanovite razlike. 21

1.3.2.1.

Zemlja kao izvor i potrošač energije

Sunce opskrbljuje Zemlju svjetlosnom i toplinskom energijom. Ta je energija povezana s procesom fuzije. Na Suncu svake sekunde oko 4,3 x 106 tona mase prelazi u zračenu energiju. Oslobođena energija zrači u svim smjerovima pa i prema Zemlji. Prolaženjem kroz Zemljinu atmosferu dio Sunčevih zraka reflektira se natrag u svemirski prostor, drugi dio se potroši odnosno rasprši, a treći apsorbira u donjem dijelu atmosfere. Sva tri dijela zajedno iznose oko 40 %. Ostalih 60 % zraka, ako nema oblaka, dopire do Zemljine površine. Oblaci mogu umanjiti količinu energije što putuje prema Zemlji na polovicu pa i više, zbog pojačanog reflektiranja i apsorpcije. U polarne krajeve stiže manje Sunčeve energije nego na ekvator zbog različitog kuta upada zraka (sl. 1.3.2.6). Putujući prema polovima zrake imaju kosi upadni kut i presijecaju deblji sloj atmosfere pa se potroši više energije. S tim u vezi dobitak energije na ekvatoru veći je od prosjeka, a na polovima je manji. Te razlike u energiji uzrokuju cirkulaciju zraka na Zemljinoj površini, koja vraća dug na taj način što toplinu pravilnije raspoređuje po Zemlji.

Slika 1.3.2.6. Upad Sunčevih zraka na površinu Zemlje (po Longwellu i dr). U polarne krajeve stiže manje Sunčeve energije nego na ekvator zbog različitog kuta upada zraka. Slika 1.3.2.7. Geoid u usporedbi sa sferoidom (po Wagneru; preuzeto iz Herak, 1990). Slika 1.3.2.8. Lijevo: »Bouguerova anomalija« u Alpama (po Holopainenu); desno: raspored geomagnetskih silnica (Longwell i dr.).

Među primarnim silama koje djeluju na Zemlju važna je i gravitacija. Njezinu je zakonitost 1684. objasnio I. Newton. On je ustanovio da između nebeskih tijela postoji privlačna sila koja je proporcionalna njihovim masama, a obrnuto proporcionalna kvadratu njihove udaljenosti. Gravitacijsko djelovanje Sunca i Mjeseca uzrokuje na Zemlji morska doba (plima i oseka). Zemljina teža djeluje u Zemljinoj unutrašnjosti, na njezinoj površini i u atmosferi. I ona se svodi na gravitacijsku (privlačnu silu među masama) i centrifugalnu silu kao posljedicu Zemljine rotacije oko vlastite osi. Oblik Zemlje ne odgovara pravilnom geometrijskom tijelu spljoštenog elipsoida zbog nepravilne (undulirane) površine, pa se naziva geoid. On predstavlja nivo ploha sile teže na razini mora (sl. 1.3.2.7). Sila teža, a time i akceleracija teže, na ekvatoru najmanja, a povećava se prema polovima. 22

Osim toga akceleracija teže smanjuje se i s visinom, a na nju utječe i raspored masa u unutrašnjosti. Zbog toga stvarne vrijednosti akceleracije teže odstupaju od vrijednosti, koje bi odgovarale spljoštenom pravilnom elipsoidu. Tako nastaju anomalije teže (sl. 1.3.2.8). Na temelju tih anomalija zaključuje se o raspodjeli masa u Zemljinoj litosferi.

W. Gilbert iznio je 1600. godine mišljenje da se Zemlja ponaša kao veliki magnet (v. sl. 1.3.2.10 i 1.3.2.11) i da se magnetizam nalazi u Zemljinoj nutrini u obliku magnetizirane kugle. C. F. Gauss je 1839. dokazao da najveći dio Zemljina magnetskog polja (oko 95 %) potječe iz Zemljine unutrašnjosti, a vrlo malo dolazi izvana svemirskim zračenjem. Glavno magnetsko polje može se usporediti s poljem velikog magneta (dipola) smještenog u Zemljinoj nutrini, a os mu spaja sjeverni i južni geomagnetski pol i prolazi središtem Zemlje (sl.1.3.2.9 i 1.3.2.11). Stanovite anomalije mogu se objasniti lokalnom koncentracijom magnetiziranih ruda ili stijena, ili nepravilnim rezidualnim poljima u glavnom magnetskom polju. Drži se da neke tvari u Zemlji mogu postati magnetične i zadržati magnetizam samo ispod određene temperaturne točke (točka nazvana po M. Curie). Uz atmosferski tlak ta je temperatura za željezo 770 °C, za magnetit 580°C, za nikal 330 °C itd. Uz povećan tlak ta je temperaturna točka niža. Budući da u Zemljinoj nutrini vlada visok tlak i visoka temperatura, treba pretpostaviti da tamo ne može biti trajnog magnetizma. Prema tome on se mora obnavljati uz pomoć električnih struja u uvjetima pogodnim za interne pokrete. Čini se da upravo vanjski dio Zemljine jezgre, koji se sastoji od metalne tekuće mase, najbolje odgovara tim uvjetima (sl. 1.3.2.12). Ipak ostaje neriješeno pitanje odakle primarno magnetsko polje i što je izvor energije za stalno konvekcijsko gibanje materije u tom dijelu jezgre.

Slika 1.3.2.9. Odnos rotacijske i geomagnetske osi za vrijeme normalne polarnosti (lijevo) i reversne polarnosti (desno); kružna strelica označava rotacijsku os, igla kompasa magnetsku (po Wyllieju; preuzeto iz Herak, 1990). Slika 1.3.2.10. Magnetsko polje jednostavnog štapićastog dipolarnog magneta uključuje sjeverni pol iz kojeg izlaze magnetske silnice i južni pol gdje se te linije opet vraćaju u magnet (prema: Chernicoff & Whitney, 2007). Na isti način kako se kod električki nabijenih čestica privlače isti naboji, a odbijaju suprotni naboji. Magnetski sjeverni i južni polovi se međusobno privlače, dok se isti polovi međusobno odbijaju. 23

Slika 1.3.2.11. Zemljino prevladavajuće magnetsko polje. Za razliku od jednostavnog štapićastog magneta prikazanog na sl. 1.3.2.7, u ovom slučaju silnice izlaze na Zemljinom magnetskom južnom polu lociranom u blizini McMurdo Sounda u Antarktici, a ponovo ulaze u sjevernom magnetskom polu u blizini Prince of Wales Islanda u Kanadskoj Arktici. Dakle, Zemljin magnetski južni pol nalazi se na sjevernoj hemisferi, a magnetski sjeverni pol na južnoj hemisferi. Zbog toga igla na kompasu pokazuje prema geografskom sjeveru – zapravo je privučena magnetskim južnim polom (koji, kao što smo rekli, leži na sjevernoj hemisferi). Zemljini magnetski polovi ne odgovaraju geografskim polovima. Redajući se duž planetskih silnica slobodno lebdeća magnetska igla na Zemljinoj površini orijentirala bi se okomito na površinu Zemljinih magnetskih polova, paralelno na površinu magnetskog ekvatora i zatvarala bi različite kuteve s površinom u svim točkama koje se nalaze između toga. Slika 1.3.2.12. Zemljino magnetsko polje nastaje zbog protoka električki provodljive tekućine u vanjskom dijelu jezgre – liquid outer core (prema: Chernicoff & Whitney, 2007).

Iz vremenskih promjena magnetske deklinacije, koja se očituje u odstupanju položaja geomagnetskih polova u odnosu na rotacijske (geografske) polove Zemlje (sl. 1.3.2.9), zaključuje se da geomagnetski polovi s vremenom mijenjaju položaj. Fosilizirana primarna orijentacija geomagnetskih silnica u stijenama kamene kore pokazuje da je promjena bilo i u geološkoj prošlosti. Kao što je poznato, magmatske stijene nastaju hlađenjem magme ili lave. Kada se temperatura spusti ispod odgovarajuće temperaturne točke, materija postaje magnetična, a orijentacija magnetskih silnica u novoj stijeni odgovara orijentaciji lokalnoga geomagnetskog polja u vrijeme postanka stijene (paleomagnetski zapisi; v. sl. 1.3.2.13). 24

Slika 1.3.2.13. (a) Polarnost magnetskog polja unutar kristala magnetita u otopljenim bazaltnim tokovima može se orijentirati u skladu sa Zemljinim prevladavajućim magnetskim poljem. Stvrdnjavanjem lave magnetitni kristali se fiksiraju na mjestu gdje se nalaze i tako očuvaju zapis Zemljinog magnetskog polja u određeno vrijeme na određenom mjestu. (b) Kako padaju magnetske čestice sedimenata koji se talože u relativno mirnim vodama mogu se rotirati dok se ne postroje u skladu sa Zemljinim poljem na mjestu gdje se nalaze. Zakopavanjem tih čestica, zbog daljnjeg taloženja, one se uglave na mjestu gdje se nalaze i tako nastaje paleomagnetski zapis polja. (iz Chernicoff & Whitney, 2007).

To se ne odnosi samo na magmatske već i na sedimentne stijene, kojima magnetizam najčešće uzrokuju pretaložene čestice magnetita i nekih drugih minerala; oni su prilikom uklapanja u novi nekonsolidirani sediment već magnetizirani, pa se raspoređuju kao i magnetska igla prema geomagnetskim polovima. 25

Željezni mineral hematit može steći magnetizaciju i kemijskim putem, a budući da je čest kao vezivo u klastičnim naslagama, može biti veoma važan. Promjene magnetizma mogu biti izazvane magmatskim intruzijama. Stijene u koje prodre magma ugriju se iznad kritične točke (nazvane po M. Curie) pa izgube svoj postojeći magnetizam. Pri hladenju dobivaju novi koji odgovara geomagnetskom polju u vrijeme magmatske intruzije. Analizom uzoraka različite starosti potvrđena je pretpostavka o promjenama položaja polova u geološkoj prošlosti. Ustanovljena je višekratna reverzija geomagnetskih polova (sl. 1.3.2.14 i 1.3.2.15-16) pa je sjeverni geomagnetski pol postajao južni, a južni sjeverni (sl. 1.3.2.9); ili je možda, iz nepoznatih razloga, nastala reverzija magnetizma u samim stijenama.

Slika 1.3.2.14. Lijevo-gore. Promjena polarnosti u vezi s prodiranjem materijala plašta na oceanskim hrptovima i izmjenom lave i sedimenata (po Wyllieju; preuzeto iz Herak, 1990); 1–reversno, 2–normalno. Slika 1.3.2.15. Lijevo-dolje. Model rasprostiranja različito magnetiziranih slojeva lave iz rova na oceanskom hrptu bez proširivanja oceanskog dna (po Van Andelu i Beloussovu; preuzeto iz Herak, 1990): reversno (1) i normalno (2) magnetizirani slojevi. Slika 1.3.2.16. Desno. Morske magnetske anomalije pokazuju obrnuto okrenuta magnetska polja. Kako se bazaltna lava hladi na unutaroceanskim rasjedima, magnetska polja njenih magnetitinih kristala postroje se s prevladavajućim smjerom Zemljinog magnetskog polja. Svaka bazaltna pruga ima ili normalni magnetizam (kao današnje polje) ili obrnuti magnetizam (suprotno od današnjeg polja). Za razliku od slike 1.3.2.15, ovdje se događa kontinuirana divergencija s prirastom nove oceanske kore. 26

Slika 1.3.2.17. Starost oceanskih segmenata litosfere određena datiranjem morskih magnetskih anomalija (Chernicoff & Whitney, 2007). Jedan od najboljih dokaza kontinuirane divergencije (širenja) oceanskog prostora i stvaranja nove oceanske kore nalazi se i u različitoj starosti «slojeva» srednjeoceanskih hrptova. Obojene pruge predstavljaju oceansku litosferu starosti koja je objašnjna u legendi. Širina svake pruge proporcionalna je stupnju širenja na unutaroceanskim divergentnim granicama ploča. Simetrični anomalijski obrazac (gore desno) karakterizira unutaroceanski centar širenja kao što se može vidjeti unutar bazena Atlantskog oceana. Asimetrični obrazac (sredina) pokazuje da je subdukcija pojela dio oceanske ploče duž sjevernoameričke sjeverozapadne obale. 27

Zbog geomagnetskih anomalija nastaje deklinacija u položaju igle na kompasu, pa ona ne pokazuje točno pravac sjever jug već odstupa od tog pravca prema istoku ili zapadu, što valja uzeti u obzir pri mjerenju kompasom. Deklinacija na Zemljinoj površini jako varira. Ako spojimo mjesta iste deklinacije, dobivamo linije koje nazivamo izogone. Važnu ulogu u nutrini Zemlje, a i na površini, ima toplinska energija koja se oslobađa pri radioaktivnom raspadanju. Zasada je to jedini poznati izvor nove toplinske energije u Zemljinoj nutrini koja predstavlja osnovu toplinskih struja i različitih procesa koji o njima ovise, npr. konvekcijsko gibanje i kretanje materije prema površini i dr. Budući da se pretpostavlja da se glavni dio radioaktivnih procesa odvija u litosferi, ostaje otvorenim pitanje pokretača dinamike u vanjskoj jezgri i srednjem plaštu. Prema tome temperatura na površini Zemlje i do stanovite dubine u kori ovisna je o Sunčevoj toplinskoj energiji, a dijelom o toplini koja dolazi iz unutrašnjosti Zemlje vulkanima i toplinskim strujama. Granica u tlu do koje dopire utjecaj Sunčevih zraka odlikuje se stalnošću temperature, koja se uglavnom podudara sa srednjom godišnjom temperaturom promatranog područja. Ta se granica naziva neutralni temperaturni sloj, a u različitim krajevima je u različitoj dubini. Uzrok je tome nejednaka provodljivost stijena za toplinu. Tako je provodljivost škriljavca dosta mala, vapnenca i efuziva nešto veća, zatim slijede mramori, granit i, rioliti, dolomiti, duniti i kvarciti itd. Na opservatoriju u Parizu u dubini od 28 m termometar posljednjih sto godina neprestano pokazuje 11,83 OC. Kod Moskve u dubini od 20 m temperatura je 4,2 OC. Od neutralnog sloja (koji se u umjerenom pojasu nalazi na prosječnoj dubini od 20 do 30m) temperatura raste prema dubini. Brže raste ako je toplinska vodljivost stijena veća, zatim ako postoji neki lokalan izvor toplinske energije zbog radioaktivnog raspadanja, oksidacijskih procesa, vulkanskih pojava i sl. Ocjenjuje se da temperatura u dubini od 20 km iznosi oko 600 OC, na 100 km oko 1400 OC, na 500 km 1800 OC, a u dubini od 6370 km (dakle u središtu Zemlje) i > 5000 OC. Dubinski razmak u kojemu temperatura poraste za 1 OC naziva se geotermički stupanj. On u različitim krajevima pokazuje znatne razlike, a obično se kreće u okviru nekoliko desetaka metara. Najčešće se iskazuje u prosječnim vrijednostima (npr. za Evropu 32,3 m, za Aziju 27 m itd.). No, sve takve brojke počivaju na relativno malenom broju mjerenja u usporedbi s mogućom varijabilnošću na užim prostorima. Zato je ocjena geotermičkog stupnja važnija za pojedine regije i za uža područja, ako se žele iz toga izvući neki dodatni zaključci. Neki autori uzimaju kao geotermički stupanj (gradijent) porast temperature u nekoj određenoj dubinskoj razlici (npr. unutar 100 m). Linije koje spajaju sva mjesta iste temperature nazivamo geoizoterme. Energija se gubi isijavanjem i trošenjem na mehaničke radnje. Energija se troši i na stvaranje i razaranje gorja. Vulkani i potresi također oslobađaju dosta energije. I u kemijskim procesima kada se, usprkos vanjskim silama opseg povećava, troši se energija. Naprotiv, ako tlak uzrokuje smanjivanje obujma, energija se apsorbira te postaje latentna ili potencijalna.

1.3.2.2.

Vanjska Zemljina dinamika

Na Zemljinu vanjsku dinamiku (egzodinamiku) znatno utječe njezin oblik, koji je posljedica njezine građe i sila koje na nju djeluju. Budući da Zemljina gravitacijska akceleracija djeluje prema njezinu središtu, a centrifugalna sila okomito na os rotacije, njihovom interakcijom Zemlja je poprimila svoj današnji oblik. Zemlja je po dužini koja spaja polove spljoštena, tako da njezin ekvatorijalni radijus iznosi 6378 km, a polarni 6357 km. No, ni takav oblik Zemlje nije stalan zbog plimskoga kolebanja u unutrašnjosti i promjene položaja polova. Svaka promjena izaziva lančane reakcije u dinamici Zemlje. 28

1.3.3. Koncept tektonike ploča Razvoj teorije Američki znanstvenik, filozof i političar Benjamin Franklin (1782) postavio je hipotezu: "Zemljina kora je vjerojatno ljuska koja pluta na tekućoj unutrašnjosti. Dakle, površina Zemlje bi se mogla pomicati i razoriti pod utjecajem snažnih gibanja tekućina na kojima leži." Gotovo 200 godina kasnije taj znakoviti uvid jednog od najboljih znanstvenih mislilaca objedinjuje nekoliko ključnih koncepata teorije tektonike ploča. No, kako se razvila moderna teorija tektonike ploča? I što uzrokuje sva ta geološka zbivanja? 1.3.3.1.

Alfred Wegener i pomicanje kontinenata

Podudaranje kontinentalnih granica. Engleski filozof Sir Francis Bacon bio je među prvima koji je primijetio da bi se vanjski rubovi kontinenata mogli spojiti poput slagalice. Bacon je o tome pisao 1620., odmah nakon što je vidio nove zemljovide nastale na temelju spoznaja iz brojnih ekspedicijskih putovnja, koja su se događala kroz 16. stoljeće. Taj koncept se periodično vraćao u sljedeća tri stoljeća. Gotovo 300 godina kasnije Wegener je kombinirao kontinente dok ih nije spojio i tako dobio hipotetski superkontinent Pangeu. U današnje vrijeme preciznim računalnim spajanjima potvrđene su Baconove i Wegenerove hipoteze te se jasno vidi kako bi se ponovo ujedinjeni kontinenti dobro uklapali u cjelinu. Primjerice, kad bi se spojili rubovi Južne Amerike i Afrike, Južna Amerika se gotovo savršeno uklapa u nišu koju tvori zapadna obala Afrike (v. sl. 1.3.3.1). Početkom 20-og stoljeća njemački geofizičar i meteorolog Alfred Wegener (1880.-1930.) postavio je kontroverznu hipotezu koja je dovela do nastanka revolucionarne teorije tektonike ploča. Unatoč podsmjehivanju tadašnjih vodećih geologa, Wegener je pretpostavio da kontinenti plutaju na gustoj unutrašnjosti Zemlje te da periodično dolazi do njihovog pucanja i međusobnog udaljivanja. Tvrdio je da su svi kontinenti prije oko 200 milijuna godina bili ujedinjeni kao superkontinent kojeg je on nazvao Pangea ("Svezemlja"; sl. 1.3.3.1-2). Wegener je pretpostavio da je Pangea pokrivala oko 40 % Zemljine površine, pretežno na južnoj hemisferi. Dok je postojala Pangea, današnje područje New York Cityja nalazilo se na sparnim tropskim regijama u blizini ekvatora, a veći dio istočne Afrike, Australije i Indije ležali su ispod debelog leda u blizini Južnog pola. Pangea je bila okružena ogromnim oceanom kojeg je Wegener nazvao Panthalassa (prem grčkoj boginji mora). U dugom vremenskom periodu koji je započeo prije oko 180 milijuna godina Pangea se raspala tvoreći nekoliko kontinenata koji su migrirali u sve regije Zemljine kugle. Wegener je tu pojavu nazvao pomicanjem kontinenata. Svoju teoriju potkrijepio je oblicima rubova kontinenata (sl. 1.3.3.1), obrascima rasprostranjenosti živućih životinja, sličnostima između daleko udaljenih fosila i stijena te dokazima o nekadašnjim klimatskim uvjetima, za razliku od aktualnih uvjeta. Staništa živućih životinja. Ispitivanja obrasca rasprostranjenosti određenih današnjih životinjskih vrsta pomogla su potvrditi Wegneru da su danas razdvojene kontinentalne mase nekada tvorile jedinstveni superkontinent. Primjetio je, primjerice, neobičnu faunu Australije, jedinog kontinenta kojem su svojstveni klokani i koale. 29

Wegener je pretpostavio da je taj kontinent davno činio dio velike jedinstvene kontinentalne mase na južnoj hemisferi, koji se odvojio prije oko 40 milijuna godina. Tako udaljavajući se kao izolirani kontinent pogodovao je razvoju karakteristčne faune te su nastale jedinstvene životinje koje vidimo danas. Staništa izumrlih životinja. Wegener je također istražio fosilne ostatke rijetkih izumrlih oblika života (sl. 1.3.3.3). Fosilni ostaci Mesosaurusa, malog gmaza koji je živio prije 240 milijuna godina, pronađeni su samo u Brazilu i Južnoj Africi između kojih se danas nalazi 5000 km širok južni dio Atlantskog oceana.

Slika 1.3.3.1. Rani prikazi podudaranja kontinentalnih granica Južne Amerike i Afrike koje je prvi zamijetio Sir Francis Bacon 1620. Francuski naturalist Antonio Snider-Pelligrini skicirao je taj prikaz 1858. za svoj rad La Création et ses Mystères Dévoiles u kojem navodi da biblijska priča o potopu Noine Arke bila odgovorna za pomicanje kontinenata. Slika 1.3.3.2. Rekonstrukcija zamišljenog superkontinenta Pangee s današnjim granicama i imenima kontinenata za lakšu usporedbu. Takva konfiguracija datira iz vremena otprilike prije 225 milijuna godina. Slika 1.3.3.3. Rasprostranjenost Mesosaurusa i Lystrosaurusa kad su kontinenti južne hemisfere bili spojeni kao dio Pangee. Fosilni ostaci tih gmazova datiraju iz razdoblja Perma (Mesosaurus) i Trijasa (Lysrtosaurus) (prije oko 260 do 230 milijuna godina). Lystrosaurus, gmaz veličine ovce, živio je na području koje danas čine Antarktika, Afrika, Madagaskar i Indija. Ni jedna od spomenutih vrsta nisu bili plivači na duge relacije, nego su jednostavno prelazili do točaka gdje ih nalazimo danas. To je bilo, dakako, mnogo ranije nego što su se kopnene mase razdvojile i stvorile korito za Indijski i Atlantski ocean. Sve tri slike preuzete su iz Chernicoff & Whitney (2007). 30

Slika 1.3.3.4. (a) Glacijalni debris (odlomci, kršje) na rubu ledenjaka Reid (Glacijalna plaža u nacionalnom parku – Aljaska.). Debris je u prednjem planu, lijevo od strmog ruba glacijalnog toka. (b) Glacijalni debris iz područja Dwyka, Cape Province - Južna Afrika. Slika 1.3.3.5. (a) Glacijalne brazde na površini stijena. (b) Obrasci brazdanja kakvi se danas pojavljuju na razdvojenim kontinentima južne hemisfere. Brazde su naizgled orijentirane proizvoljno. (c) Obrazac brazdanja kojeg bi imala Pangea ponovnim spajanjem kontinenata južne hemisfere koji zauzimaju južni pol. Brazde tvore sustavni uzorak, koji liči na kotač bicikla, tj. obrazac koji prikazuje pomicanje ledenjaka iz središta prema van. (preuzeto iz Chernicoff & Whitney, 2007).

Skeletna struktura Mesosaurusa i sastav depozita u kojima su pronađeni ostaci pokazuju da plivali u plitkim rijekama i estuarijima (dio rijeke koji se uljeva u more). Oni vjerojatno nisu, odnosno nisu mogli preplivati velike udaljenosti u otvorenom oceanu. Paleontolozi iz toga zaključuju da je Mesosaurus živio na tada jedinstvenoj kontinentalnoj ploči. Jednostavno se kretao između područja koja danas tvore Afriku i Južnu Ameriku prije njihova odvajanja. Slična objašnjenja se odnose i na pronalazak fosilnih ostataka jedne druge prehistorijske životinje – Lystrosaurusa – na područijima Antarktike, Afrike, Madagaskara i Indije. Sličnost stijena. Na sjevernoj hemisferi 390 milijuna godina stare stijene planina na istoku Sjeverne Amerike imaju neobično sličan mineralni sastav, strukturu i fosilni sadržaj kao i jednako stare stijene na istoku Grenlanda, u zapadnoj Europi, kao i zapadnoj Africi (sl. 1.3.3.6-a). Wegener je zaključio da bi u slučaju da su Sjeverna Amerika, Afrika i Europa bile spojene u prošlosti morao postojati kontinuirani planinski lanac od Alabame pa sve do Skandinavije (sl. 1.3.3.6-b). Island bi činio jedan dio slagalice za Wegenera, koji nedostaje, jer ne tvori dio tog lanca. No, danas se zna da je Island nastao iznad srednjeatlantskog rasjeda tek prije nekih 60 milijuna godina, dugo nakon što se Pangea raspala i oblikovala zasebne kontinente Europe i Sjeverne Amerike.

31

Slika 1.3.3.6 (a) Današnji položaj kontinenata sjeverne hemisfere koji okružuju Atlantski ocean. (b) Njihov položaj prije raspadanja kad su tvorili dio Pangaee. Obratite pažnju na nepostojanje Islanda u toj rekonstrukciji – Island je nastao zbog vulkanskih erupcija na srednjeatlantskom rasjedu, tek nakon raspadanja Pangaee (preuzeto iz Chernicoff & Whitney, 2007).

Drevni klimatski uvjeti. U svojoj nakani da dokaže da su se kontinenti razdvojili Wegener je istaknuo i geološke dokaze nekadašnjih klimatskih uvjeta koji su različiti od današnjih na određenim lokacijama. Primjerice, kako ledenjaci polako putuju za sobom povlače kamenje, šljunak i pijesak i tako kad se otapaju, zaostaju nakupine debrisa (blokova, odlomaka i kršja) svih veličina (sl. 1.3.3.4-a). Šljunkoviti materijal prikazan na slici 1.3.3.4-b je glacijalni debris pronađen na vrućoj, suhoj zapadnoj obali Južne Afrike. Njegova prisutnost svjedoči o tome da je Južna Afrika prije oko 250 milijuna godina bila pod ledom (to je procijenjena starost depozita). Ledena prošlost te regije bila bi jedino logična u slučaju da se južna Afrika nekada nalazila u blizini Zemljinih zaleđenih polova. U slučaju Južne Afrike predpostavlja se da je zauzimala područje koje sad zauzima ledeni kontinent Antarktika. Daljnji dokaz kontinentalnog pomicanja čine drevne stijene koje se nalaze u toplim klimatskim regijama Indije, Australije, Afrike i Južne Amerike na kojima se uočava karakterističan obrazac poredanih ogrebotina i brazda (sl. 1.3.3.5). Takve ogrebotine nastaju kad ledenjaci povlače različita onečišćenja po površini stijena. Stoga je logično da su se te tople regije nekada morale nalaziti u hladnijim, glacijalnim klimatskim uvjetima. Sličnim razmišljanjima objašnjava se i pronalaženje ugljena u danas hladnijim klimatskim regijama. Ugljen se oblikuje nakon što se obilno nakupljene močvarne vegetacije u vlažnom i toplom okruženju zatrpaju, komprimiraju i zagrijavaju. Kad u Spitsbergenu u Norveškoj pronađemo greben koji sadrži sloj ugljena okruženog kilometrima leda, jasno nam je da se ugljen morao oblikovati drugdje u tropskim močvarama te da je naknadno prešao veliku udaljenost do hladnog sjevera kao dio putujućeg kontinenta. 32

Osnovni koncept tektonike ploča može se rezimirati u četiri točke. • Zemljina litosfera (tj. kora s vanjskim plaštom) sastavljena je od krutih masivnih stijena, koje nazivamo pločama (sl.1.3.3.8 - 1.3.3.12). • Ploče se pomiču sporo, reda veličine nekoliko cm/god. Glavni pokretač tektonskih ploča su konvekcijska strujanja u astenosferi (sl. 1.3.3.7;1.3.3.12). • Većina značajnih geoloških aktivnosti (potresi, vulkani) javlja se u područjima granica ploča (sl. 1.3.3.9_1 i 1.3.3.10). • Unutrašnji dijelovi ploča, s geološkog stajališta, relativno miruju. U njima su potresi mnogo rijeđi i slabijeg intenziteta, a rijeđe su i pojave vulkana, nego na granicama ploča.

Slika 1.3.3.7. Načini transmisije (prijenosa) topline. Ovi fenomeni, uočeni u puno većem mjerilu, odgovorni su za mnoge geološke procese (Chernicoff & Whitney, 2007).

a) Provodljivost (kondukcija) topline obuhvaća prijelaz termalne energije od atoma do susjednog atoma. Kako slijedi: atomi u vrućem dijelu čavla, koji je direktno u plamenu, vibriraju veoma brzo. Podalje od izvora topline atomi vibriraju sporije. Na kraju čavla, čelik je hladan, atomi vibriraju neznatno. Eventualno toplina može biti provedena po cijeloj dužini. b) Konvekcija je prijenos strujanja putem nekog fluida, strujanjem u mediju. Zato se juha najprije zagrije na dnu lonca na plamenu. Kada se dalje zagrijava, ona ekspandira (jer postaje rijeđa) i penje se, a hladnija (gušća) juha odozgo tone na dno. Pokreće se strujanje prikazano na slici (topli fluid se diže nagore, hladni fluid tone prema dole). Kada topla juha stigne na vrh, ona se susreće sa relativno hladnijim zrakom, smanjuje volumen, radi toga postaje gušća i hladi se. Ohlađena ponovno tone na dno, iznova bude zagrijana i počinje se opet uzdizati prema površini. c) Radijacija (isijavanje) ima za posljedicuprijenos topline od toplog objekta u njegovo hladnije okruženje. Topli radijator zagrijava hladni zrak u njegovom okruženju.

33

Slika 1.3.3.8. Precizno spajanje kontinenatalnih ploča koje okružuju Atlantski ocean pomoću računalnog programa (iz The Origin of the Oceans, Sir Edward Bullard, objavljeno 1969.). Zbog toga što rubovi kontinenata koji se nalaze ispod razine mora (obojeni tamnije) tvore stvarne granice kontinenata, njihovo spajanje je mnogo preciznije. Jedina mjesta gdje se čini da se ploče preklapaju obilježena su geološkim materijalima koji su se odlagali nakon razaranja Pangee. Takva točnost podudaranja vanjskih rubova jedan je od glavnih dokaza koji je doveo do prihvaćanja teorije tektonike ploča. Slika 1.3.3.9_1 Zemljine tektonske ploče. Ploče se kontinuirano relativno pomiču, jedna u odnosu na drugu. Zapaža se povezanost granica ploča, pojava jakih potresa i glavnih vulkana (preuzeto iz McKinney & Schoch, 2003).

34

Razlikuju se tri osnovna tipa dinamičnih granica ploča. 1.

2. 3.

Divergentne granice ploča, na kojima se ploče međusobno razdvajaju i udaljavaju (slike: 1.3.3.9_2, 1.3.3.13, 1.3.3.14, 1.3.3.15, 1.3.3.16 i 1.3.3.17). To je i mjesto prirasta (stvaranja) nove oceanske kore (v. sl. 1.3.3.10 – starost dna oceana). Konvergentne granice ploča, na kojima se jedna ploča kreće prema drugoj i podvlači (subducira) se pod nju (sllike: 1.3.3.9_2, 1.3.3.14, 1.3.3.18), ili se s njom sudara (kolizija). Transformne granice ploča, gdje se ploče pomiču (klize) subparalelno, jedna pored druge u suprotnim smjerovima (sllike: 1.3.3.9_2, 1.3.3.19, 1.3.3.20).

Slika 1.3.3.9._2 Svjetski zemljovid na kojem su prikazane tektonske ploče. Strelice pokazuju sadašnji smjer međusobnog kretanja ploča. Obratite pažnju na to da su neke ploče, primjerice Sjevernoamerička, sastavljene i od kontinentalne i od oceanske litosfere. Pacifičku ploču gotovo u potpunosti čini oceanska litosfera. 35

GLAVNE TEKTONSKE PLOČE

STAROST DNA OCEANA

EPICENTRI POTRESA

http://virga.sfsu.edu/courses/geol103/labs/new/tectonics/tectest.html

VULKANI

Slika 1.3.3.10. Večina značajnih geoloških aktivnosti (potresi, vulkani) javlja se na granicama tektonskih ploča. Najstarija dna oceana nalaze se u graničnoj zoni kontinenata, a najmlađe stijene nalaze se u središnjim dijelovima oceana (oceanski hrptovi). Najmlađa kora (starost je u milijunima godina) označava njezin recentni prirast. 36

Konvekcijska strujanja (engl. convection – konvekcija - prenošenje topline putem strujanja nekog fluida) u astenosferi osnovni su uzročnik globalnih tektonskih procesa – TEKTONIKE PLOČA.

Slika 1.3.3.11. Zemljina kora (http://quake.wr.usgs.gov/research/structure/CrustalStructure/index.html) debljine prosječno oko 40 km u područjima kontinenata, i 10-12 km ispod oceana, koja s vanjskim plaštom tvori litosferu, sastoji se od čvrstih masivnih stijena koje izgrađuju ploče. Ploče leže na plastičnom (vrućem i mekom) «sloju» astenosfere. Slika 1.3.3.12. Konvekcijska strujanja u astenosferi glavni su pokretač tektonskih ploča. Na mjestima gdje se uzlazne struje iz astenosfere uzdignu pod litosferu javljaju se «vruće točke», pa se litosfera ovdje može razmekšati i dijelom taliti, a ohlađene konvekcijske struje u zoni «vruće točke» izazivaju snažna vlačna naprezanja u litosferi. To izaziva pucanje (kidanje) litosfere i intruziju magme u nastale pukotine. Na taj način, u zonama divergencije nastaje nova oceanska kora. Donji dio slike 1.3.3.10, kao detalj - preuzet iz Chernicoff & Whitney (2007). 37

Slika 1.3.3.13.

Osnovni tipovi granica tektonskih ploča.

Slika 1.3.3.14. Mehanizam nastanka tektonskih ploča. Konvekcijska strujanja u astenosferi glavni su pokretač tektonskih ploča. Osobito u području oceana, na mjestima gdje se uzlazne struje iz astenosfere uzdignu pod litosferu javljaju se «vruće točke», pa se litosfera ovdje može razmekšati i dijelom taliti, a ohlađene konvekcijske struje u zoni «vruće točke» izazivaju snažna vlačna naprezanja u litosferi. To izaziva pucanje litosfere i intruziju magme u nastale pukotine. Na taj način, u zonama divergencije nastaje nova oceanska kora. Paralelno s tim procesom dolazi do podvlačenja (subdukcije) oceanske ploče pod kontinentalnu ploču, pa oceanska ploča u zoni podvlačenja (subdukcije) zaranja u astenosferu i postupno bude pretaljena. Pri podvlačenju oceanske kore pod kontinentalnu dolazi do snažnog trenja na granici tih ploča, koja izazivaju akumulaciju velikih naprezanja, koja se postupno oslobađaju uz skokovite pomake i lomove čvrstog stjenovitog materijala. Popratna pojava su vulkanske aktivnosti i jaki potresi.

38

Slika 1.3.3.15. Cijepanje (pucanje) ploča i divergencija. Konvekcijska strujanja u astenosferi - ispod ploče (lijevo-gore) dovode do razvlačenja u suprotnim smjerovima. Na ploču djeluju vlačna naprezanja i ona puca (lijevo-sredina). Kako se fragmenti ploče nastavljaju gibati (divergiraju) u smjeru jedan od drugog, otopljeni materijal iz plašta (astenosfere) ulazi u prazninu te se stvrdnjava uzduž rubova ploča (lijevo-dolje) oblikujući novu oceansku koru koja se prekriva vodom te oblikuje novi ocean. Slika 1.3.3.16. Rascjep V-oblika u sjevero-istočnoj Africi – ograđen Crvenim morem i Adenskim zaljevom – najbolji je postojeći primjer na Zemlji, koji svjedoči o kidanju ploča. Umetnuta slika prikazuje istočni Mediteran gore lijevo i zone cijepanja u području Crvenog mora i Adenskog zaliva. Slika 1.3.3.17. Divergentne zone – mjesta gdje ploče rastu (desno-dolje) dodavanjem novih vulkanskih stijena (stvara se nova oceanska kora uzduž srednjeoceanskog hrpta) – protežu se u dužinu od 65000 kilometara, uglavnom po Zemljanim podmorjima. Ovdje se divergencijom između Južne Amerike i Afrike oblikovao bazen južnog Atlantskog oceana. Iz Chernicoff & Whitney (2007)

39

Slika 1.3.3.18. Subdukcija (podvlačenje) oceanske ploče (gore-lijevo). Konvergirajući ploče pritišću i drobe jedna drugu i sudaraju se (kolizija) pri čemu obično jedna ploča tone, odnosno podilazi (subducira) pod drugu Slika 1.3.3.19. Sudaranje kontinenata (gore-desno). (1) Dvije kontinentalne ploče konvergiraju, a oceanska litosfera između njih subducira. (2) Oceanska litosfera koja se nalazi između potpuno je subducirana, a dvije kontinentalne ploče se sudaraju i uzdižu jer ni jedna nije dovoljno gusta da subducira. Rezultat sudara je planinski lanac sastavljen od visoko deformiranih stijena. Gubitkom subducirane ploče i sudarom dviju kontinetalnih ploča prestaje vulkanska aktivnost te ostaje jedna zadebljana ploča. Slika 1.3.3.20. Transformna kretnja (dolje-lijevo). Gdje ili kad se Zemljine ploče gibaju jedna pored druge u suprotnim smjerovima dolazi do trenja na njihovim rubovima, ali se ploče niti ne dižu, niti spuštaju. Slika 1.3.3.21. Plantaža naranča uz transformnu granicu ploča (San Andreas) s drvoredima pomaknutim zbog gibanja ploča (dolje–desno). Dok god se pomiču ploče uzduž aktivne transformne granice, brkat će se raspored uredno zasađenog voćnjaka. Sve slike preuzete iz Chernicoff & Whitney (2007).

Sukladno prikazu na slici 1.3.3.13. (osnovni tipovi granica tektonskih ploča), formirana je i recentna (današnja) morfologija morskoga dna u svim svjetskim morima. Na slikama 1.3.3.22 i 1.3.3.23 prikazana je ta topografija, koja izravno dokazuje uzročno-posljedičnu vezu tektonike ploča i recentnog reljefa, tj. utemeljenost osnovnih teoretskih postavki Wegenera. 40

Slika 13.3.22. Dolje-lijevo. Penetrirajući zvučni valovi oblikovali su ovaj V-profil (brazdu) podmorskog kanjona uz zapadnu obalu Afrike. Kanjon je dubok oko 3000 m i širok oko 10 km (iz Chernicoff & Whitney, 2007). Slika 1.3.3.23. Desno (gore i dolje). Ove karte, koje prikazuju raznolikost topografije morskog dna, izrađene su prema prikupljenim satelitskim podacima o uzdignutosti površine mora (iz Chernicoff & Whitney, 2007). Pozitivne gravitacijske anomalije uzrokovane tijelima kao što su podmorski planinski lanaci privlače velike količine vode uzrokujući uzdizanje oceanske razine (svijetlo plava područja); obrnuto, negativne gravitacijske anomalije uzrokovane ulekninama temeljne stijene snizuju površinu oceana (tamnoplava područja).

41

1.3.3.2. Daljinska istraživanja pomaka Brzim napretkom tehnika daljinskog istraživanja pomoću satelitskih mjerenja, tijekom posljednjih 15-ak godina, omogućena su opažanja brzina vertikalnih pomaka odabranih točaka na površini Zemlje s točnošću reda veličine cm/god. Razvojem novih postupaka obrade satelitskih snimaka nedavno je razlučivost povećana na red veličine mm/god. Radi se o postupku satelitske radarske interferometrije (InSAR) kojim se na već postojećim satelitskim slikama odabranoga područja prati udaljenost unaprijed odabranih permanentnih objekata od satelita. Kako u arhivima međunarodnih agencija postoje potrebni satelitski snimci, otprilike od 1990. godine, to je danas moguće kartirati brzine vertikalnih pomaka na nekom području s, do nedavno, nezamislivom točnošću i prostornom gustoćom. Metoda je našla primjenu pri urbanom i prostornom planiranju jer se brzo i jeftino može dobiti kvalitetan pregled zona izdizanja, spuštanja, odrona, klizišta i sl. Zbog toga je ona već primijenjena u mnogim gradovima diljem Europe. Do sada su InSAR postupkom obrađeni gradovi u Češkoj, Finskoj, Grčkoj, Italiji, Njemačkoj, Portugalu, Španjolskoj, Švicarskoj Velikoj Britaniji, a ugovor su sklopili ili su pred sklapanjem i gradovi iz Danske, Luksemburga, Slovačke, Slovenije, Švedske...

Slika 1.3.3.24. Interpolirana PSInSAR karta 900 km2 površine grada Londona. Prikazana je prosječna brzina pomaka površine prema satelitu (crveno tone, plavo se izdiže). Preuzeto iz Ortolan i dr. (2008). Slika 1.3.3.25. Prostorni prikaz klizišta u Lihtenštajnu. Crvene točke tonu prosječnom brzinom ≈6 mm /god. Iz Ortolan i dr. (2008). 42

Kao primjer mogućnosti koju nudi navedeni postupak, slika 1.3.3.24 prikazuje primjenu pri izučavanju izdizanja i spuštanja tla u Londonu, dok su slikom 1.3.3.25 prikazane mogućnosti kartiranja postojećih odrona i potencijalnih klizišta u Lihtenštajnu. Primjena PSInSAR (Permanent Scatterers InSAR) tehnologije nije skupa, a omogućava brzo i jednostavno prikupljanje relevantnih podataka za razvoj urbanih područja. Na slici 1.3.3.24 crveno područje (lijevo dolje) tone brzinom 3 mm/god zbog snižavanja razina podzemne vode. Crvene linije iznad toga područja odgovaraju mjestima tunela za električne kablove i produžetka londonske podzemne željeznice. Plavo područje u sredini slike pokazuje izdizanje od oko 2 mm/god do kojega je došlo zbog povrata podzemnih voda u vodonosnik tijekom posljednjih 30-ak godina, kada naglo prestaje crpljenje zbog zatvaranja pivovara te tiskarske i papirne industrije. Tako visoka preciznost rezultata mjerenja bez daljnjega su bitno unaprijedila znanstvena promišljanja i ubrzala razvoj znanstvene misli. Načelna tehnologija GPSmjerenja (Global Positioning System) objašnjena je na slikama 1.3.3.26-28.

Slika 1.3.3.26. Određivanje brzina ploča (Chernicoff & Whitney, 2007). (a) Ako se obje ploče gibaju i nemamo fiksnu referentnu točku u odnosu na koju možemo mjeriti pomicanje, ne možemo utvrditi apsolutnu brzinu ni za jednu od njih. Promijenjena udaljenost između ploča koje se gibaju odražava samo njihovo međusobno relativno gibanje. Ovdje znamo za dva grada koji se razmiču ali ne znamo sa sigurnošću koliko tog kretanja dolazi od ploče A, a koliko od B. (b) Korištenjem fiksnih referentnih točki koje se ne nalaze na pločama koje se pomiču – ovdje je to satelit – možemo odrediti apsolutne brzine ploča. Slika 1.3.3.27. Satelit LAGEOS. Brojni reflektori na površini odbijaju natrag laserske emisije te se određuje vrijeme putovanja zrake. Promjene tih vremena omogućuju geolozima mjerenje apsolutnih gibanja ploča (Chernicoff & Whitney, 2007). Slika 1.3.3.28. Satelitski Global Positioning System (GPS) geolozima omogućuje lociranje promjena u određenim točkama na Zemljinoj površini potvrđujući da se ploče stvarno gibaju (Chernicoff & Whitney, 2007).

43

Satelitskim mjerenjima dnevno su omogućena praćenja niza odabranih točaka na površini zemlje u apsolutnom prostornom koordinatnom sustavu. Tako se mogu pratiti pomaci tektonskih ploča, njihovi kratkotrajni i brzi pomaci uzrokovani naglim oslobađanjima nagomilanog stresa (potresima izazvanima kretanjima na rubovima ploča), progresija tsunami valova koji su posljedica nezaustavljivog prirodnog procesa: pomaci ploča → potresi → tsunami, itd. Na slikama 1.3.3.29-30 prikazani su rezultati mjerenja pomaka na granicama tektonskih ploča.

Slika 1.3.3.29. Vruće točke i apsolutno gibanje ploča. Vruće točke, koje mogu proizvesti vulkane, obično se javljaju na divergentnim granicama ploča, ali mogu se pronaći i ispod unutrašnjosti ploča. Zbog toga što su vruće točke fiksirane u odnosu prema bržim pločama iznad njih, geolozi ih mogu koristiti kao referentne točke kako bi odredili apsolutne brzine tektonskih ploča. Vruće točke nastaju u velikoj dubini Zemljine unutrašnjosti – možda na dubini granice između jezgre i plašta. Tako duboko smještene vruće točke podržavaju vulkanizam na određenim lokacijama unutar ploče. Navirući vrući materijal također upravlja divergentnim kretanjem u zonama pucanja i na oceanskim divergentnim granicama. Iz Chernicoff & Whitney (2007).

44

Slika 1.3.3.30. Smjerovi i stupnjevi pomicanja Zemljinih ploča izračunati na temelju morskih magnetskih anomalija, razdvajaju stijene uzduž transformnih rasjeda i udaljenost otoka u odnosu na vruće točke. (iz Chernicoff & Whitney, 2007). 45

Slika 1.3.3.31. Na slici je prikazano pomicanje i formiranje kontinenata kroz posljednjih 240 milijuna godina (preuzeto iz McKinney & Schoch, 2003); (a) Zemlja prije oko 240 milijuna godina. Wegener je predpostavio da kontinenti plutaju na gustoj unutrašnjosti Zemlje te da periodično dolazi do njihovog pucanja i međusobnog udaljivanja. Tvrdio je da su svi kontinenti prije oko 200 milijuna godina bili ujedinjeni kao superkontinent kojeg je on nazvao Pangea ("Svezemlja“). Wegener je pretpostavio da je Pangea pokrivala oko 40 % Zemljine površine, pretežno na južnoj hemisferi. Dok je postojala Pangea, današnje područje New York Cityja nalazilo se na sparnim tropskim regijama u blizini ekvatora, a veći dio istočne Afrike, Australije i Indije ležali su ispod debelog leda u blizini Južnog pola. Pangea je bila okružena ogromnim oceanom kojeg je Wegener nazvao Panthalassa (prem grčkoj boginji mora). U dugom vremenskom periodu koji je započeo prije oko 180 milijuna godina Pangea se raspala tvoreći više kontinenata koji su migrirali u sve regije Zemljine kugle. Wegener je tu pojavu nazvao pomicanjem kontinenata. (b) Zemlja prije oko 70 milijuna godina. (c) Suvremena Zemlja. Slika 1.3.3.32. Predviđeni položaji Zemljinih kontinenata za 100 milijuna godina. Ti položaji predpostavljaju da će brzina ploča i njihov smjer ostati isti kao što su danas. Obratite pažnju na mogućnost sudaranja (kolizije) Afrike i Europe (uz gubitak Mediteranskog mora) te Australije i Indonezije, kao i kretanje zapadne Kalifornije prema Aljasci, uzduž kontinentalne transformne granice ploča (iz Chernicoff & Whitney, 2007).

46

Poznavanje mehanizama prošlih (slika 1.3.3.31) i recentnih kretanja, te veličina, brzina i smjerova pomaka ploča (slike 1.3.3.29-30) daju osnovu za procjenu hipotetskih položaja kontinenata za cca 100 milijuna godina (slika 1.3.3.32). Na slici 1.3.3.33. daje se skraćeni prikaz osnove tektonike ploča.

Slika 1.3.3.33. Prikaz osnova tektonike ploča (iz Chernicoff & Whitney, 2007) 47