Bukti Awal untuk Tektonik Lempeng

Pembentukan magma, intrusi batuan beku, metamorfisme, aksi vulkanik, gempa bumi, patahan, dan lipatan biasanya hasil dari aktivitas lempeng tektonik. Kerak bumi dibagi ke dalam enam potongan besar, dan kira-kira dua puluh potongan lebih kecil, oleh sistem sesar yang mendalam. Lempeng kerak ini mencakup lempeng samudera dan lempeng benua.

Arus konveksi di dalam mantel dan kerak terbawah diperkirakan menciptakan kekuatan yang mendorong dan menarik lempeng-lempeng ini di permukaan. Aktivitas geologi yang kuat terjadi di mana lempeng-lempeng bergerak berpisah (batas divergen), bertabrakan (batas konvergen) atau bergeser melewati lempeng lainnya (batas transform).

Diperkirakan kira-kira 200 juta tahun yang lalu, kekuatan lempeng tektonik mulai memecahkan sebuah masa daratan benua tunggal menjadi potongan-potongan yang menyebar terpisah untuk membentuk benua seperti yang kita tahu sekarang ini.

Pergeseran Benua

Peta dunia mulai bertambah baik pada 1600-an dan 1700-an, para ilmuwan menyadari bahwa benua-benua, khususnya Amerika Selatan dan Afrika, kira-kira akan cocok seperti potongan-potongan teka-teki jigsaw yang saling berhubungan satu sama lain (Gambar 1).

Gagasan bahwa benua-benua pernah bergabung bersama dan entah bagaimana awalnya terpecah disebut dengan pergeseran benua dan merupakan pendahulu untuk teori tektonik lempeng modern sekarang ini. Seperti yang lebih banyak dipelajari selama berabad-abad (terutama keberadaan retakan tengah samudera dalam yang  sejajar dengan garis-garis besar benua), gagasan lempeng tektonik menjadi lebih dan lebih masuk akal bagi ahli geologi.

Gambar 1: Pembentukan Benua-benua dan samudera

Karya Alfred Wegener

Para ilmuwan mulai berbicara serius tentang pergeseran benua pada pertengahan 1800-an. Alfred Wegener, seorang ahli iklim Jerman, melihat bahwa sabuk pegunungan tertentu, formasi batuan, strike dan dip, dan sisa-sisa fosil hampir sama di beberapa bagian Amerika Selatan, Australia, India, dan Afrika.

Dia beralasan, bahwa jika suatu spesies seperti Mesosaurus selamat berenang mengarungi samudera antarbenua, jasadnya seharusnya bisa tersebar luas di sedimen-sedimen samudera. Namun, Mesosaurus hanya ditemukan di Amerika Selatan bagian timur dan Afrika bagian selatan. Mengingat jarak antarbenua, Wegener menyimpulkan bahwa keunikan fosil yang sama harus menjadi bagian dari massa daratan besar yang sama pula.

Dia menamakannya dengan teori supercontinen Pangaea, kemudian, dia menyarankan, membaginya untuk membentuk Laurasia dan Gondwanaland. Laurasia, bagian sebelah utara, kemudian terpecah lagi untuk membentuk Amerika Utara dan Eurasia. Gondwanaland pecah terpisah membentuk Amerika Selatan, Afrika, India, Australia, dan Antarktika.

Studi Wegener juga menunjukkan bahwa periode yang jelas dari glasiasi Paleozoikum mempengaruhi benua Gondwanaland sebelah selatan. Jika benua tersebut berada pada posisinya sekarang ini dan ditutupi oleh lapisan es yang sama, cuaca akan cukup dingin untuk menghasilkan glasiasi benua utara. Namun, iklim Paleozoikum akhir di Amerika Utara dan Eropa benar-benar hangat dan lembab.

Terjadinya berbagai keretakan glasial (dan arah gerakan es) benua selatan secara meyakinkanmenyatakan bahwa Gondwanaland adalah sebuah massa daratan tunggal menjelang akhir era Paleozoikum. Lapisan es yang kini berpusat di Antarktika dan menyebar ke arah barat  ke sebagian Amerika Selatan, utara dan barat ke Afrika, dan ke arah timur ke India dan Australia, membentuk pola radial.

Selanjutnya, Wegener mempelajari batuan di seluruh dunia untuk merekonstruksi zona iklim untuk setiap periode waktu geologi. Contohnya, batu kapur dan terumbu karang mengindikasikan air samudera yang hangat dekat khatulistiwa, dan endapan glasial akan mengindikasikan iklim yang lebih dingin.

Wegener menemukan bahwa posisi Kutub Utara dan Kutub Selatan di masa geologi lampau sedikit berbeda dari posisinya sekarang ini, setidaknya dalam hubungannya pada posisi benua. Contoh, fosil pohon dari ladang batu bara di daerah beku seperti Siberia tidak berisi lingkaran pertumbuhan, menunjukkan pohon ini tumbuh sangat cepat di iklim tropis.

Bukti Paleomagnetik

Pada 1940-an dan 1950-an, teknologi sudah maju ke tahap dimana bidang paleomagnetik dari geologi masa lalu dapat diukur dengan beberapa reliabilitas dari batuan. Sama seperti pekerjaan geologi Wegener yang mengidentifikasi dimana kutub geografi berada di geologi masa lalu, ahli geofisik mulai menentukan dimana kutub magnet pernah berada.

Keselarasan mineral magnetik di dalam batuan beku yang dingin mengarah ke kutub utara magnetik, dan kemiringan mineral mengungkapkan seberapa jauh batuan terbentuk dari kutub. Bukti paleomagnetik mengungkapkan bahwa kutub magnetik juga memiliki lokasi yang relatif berbeda terhadap benua dibandingkan dengan yang dilakukan sekarang ini.

Mineral magnetik pada sebuah benua tidak menunjuk pada posisi kutub yang sama seperti halnya yang dilakukan orang-orang dari periode waktu yang sama di benua lain. Hal ini menunjukkan bahwa terdapat beberapa kutub utara selama periode waktu yang sama atau benua-benua bergerak dalam hubungannya dengan sebuah kutub utara tunggal. Ahli geofisika menyimpulkan bahwa kutub magnetik tetap diam, dan benua-benua setelah membelah terpisah, menyimpang di sepanjang jalur yang berbeda.

Bukti Dasar Laut

Teknologi yang berkembang pada 1940-an dan 1950-an juga memungkinkan pemetaan lantai laut dan batas benua yang lebih detail. Sebuah kecocokan yang jauh lebih baik di antara pemisahan benua terlihat ketika bentuk lereng benua digunakan sebagai pengganti garis pantai benua.

Pemetaan lebih rinci kekhasan satuan batuan yang terbentang sampai laut sepanjang pantai Amerika Selatan dan Afrika dan Amerika Utara dan pantai Inggris memperlihatkan bahwa pantai-pantai ini akan bertemu dengan sempurna apabila benua-benua bisa dipasangkan bersama-sama.

Penyebaran Dasar Laut

Pada 1960-an, ahli geologi Harry Hess mengusulkan bahwa dasar laut bergerak ke luar dari punggung tengah samudera. Teorinya penyebaran dasar laut menyatakan bahwa kerak benua basaltik baru terbentuk di punggung tengah samudera dan perlahan terdorong pada kedua sisinya menuju benua sebagai sebuah pembentukan kerak baru. (Pengukuran menunjukkan bahwa kerak baru bergerak dari punggungan dengan rata-rata dari 2 sampai 10 cm/tahun.)

Punggung tengah samudera disebut dengan sumbu penyebaran atau pusat penyebaran. Subduksi merupakan proses dimana kerak samudera saling mendorong, dan akhirnya ke bawah kerak benua atau samudera. Zona subduksi terkadang ditandai oleh rantai kepulauan vulkanik yang disebut busur kepulauan.

Ahli geologi meyakini bahwa penyebaran dasar laut dihasilkan dari konveksi di mantel dan kerak terbawah yang membawa materi panas, kurang padat, dan material lebih plastis ke arah permukaan; batuan dan sedimen yang lebih padat dan lebih dingin, seperti material kerak subduksi, tenggelam ke mantel (Gambar 2).

Kekuatan konvektif ini merobek kerak samudera terpisah dari punggung tengah samudera, membentuk lembah retakan yang ditandai oleh sudut patahan tinggi, lava basal, dan aliran panas yang tinggi. Mid-Atlantic Ridge adalah salah satu punggung tengah samudera terbaik untuk dipelajari. Punggung ini memisahkan Amerika Utara dari Eropa.

Gambar 2: Diagram menunjukkan beberapa jenis interaksi batas lempeng, termasuk batas konvergen di mana kerak samudera bertemua dengan kerak samudera, di sebelah kiri, dan kerak samudera bertemu kerak benua, di kanan. Batas divergen dan transform berhubungan dengan penyebaran dasar laut yang ditunjukkan pada bagian tengah.

Ketika batuan mantel panas naik menuju punggung tengah samudera, batuan mendingin dan mulai bergerak lateral menjauh dari punggungan. Gerakan mantel menyeret kerak samudera di atasnya. Material mantel terus mendingin, dan akhirnya mulai tenggelam. Pada titik ini, kerak samudera mulai bersubduksi di palung samudera yang dalam. Palung samudera berkembang di zona subduksi dimana lempeng subduksi mulai menekuk dan turun. Pada dasarnya palung-palung rata-rata memiliki kedalaman 10 kilometer.

Kecenderungan pendinginan menjauh dari punggungan digambarkan melalui aliran panas rendah yang telah diukur di palung samudera. Subduksi menyebabkan kontak dan gesekan dengan lempeng di atasnya, yang menghasilkan gunungapi andesit dan gempa bumi di sepanjang zona Benioff.

Kerak samudera termuda terbentuk di puncak punggung tengah samudera dan kerak lebih tua menjauh dari punggungan. Kerak samudera yang lebih tua kemudian disubduksi dan dibaurkan kembali ke dalam mantel.

Anomali Magnetik

Survey magnetik dasar laut pada 1960-an menunjukkan pola simetris pita magnet, anomali sejajar dengan celah tengah samudera (Gambar 2). Pola yang sama dalam kaitannya dengan celah tengah samudera muncul di samudera berbeda. Anomali magnetik berhimpitan dengan episode pembalikan magnet yang didokumentasikan dari studi di darat, menunjukkan bahwa batuan andesit yang membentuk kerak samudera baru mencatat medan magnetik bumi ketika mendingin.

Sebuah batuan memiliki polaritas (positif) normal ketika medan paleomagnetis sama dengan medan bumi sekarang ini. Magnetisme positif menambah medan magnet bumi dan menghasilkan pengukuran magnetik yang lebih tinggi di lokasi tersebut. Batuan berpolarisasi negatif ketika medan bumi terbalik, mengurangi kekuatan medan bumi. Karena waktu anomali ini diketahui dari penanggalan pembalikan paleomagnetik di daratan, rata-rata gerakan dasar samudera bisa dihitung.

Fakta bahwa kerak samudera baru bergerak menjauh dari punggung tengah samudera dengan kecepatan bervariasai dari 2 sampai 10 sentimeter per tahun bisa didokumentasikan melalui pengukuran satelit dan radar. Sebagai contoh, jika diketahui bahwa ruas dasar laut yang terbentuk 10,0 juta tahun yang lalu sekarang jaraknya 50 kilometer (5,0 juta cm) dari puncak punggungan; bisa dihitung bahwa ruas dasar laut tersebut berjalan dengan jarak kira-kira 2 sentimeter per tahun.

Dengan menggunakan penghitungan usai untuk episode pembalikan paleomagnetisme, ilmuwan bisa membuat peta umur dasar laut, dengan memastikan bahwa kerak samudera termuda saat ini sedang terbentuk di punggung tengah samudera dan yang tertua umurnya kira-kira 150 sampai 200 juta tahun, atau di usia Jurassik akhir.

Material yang lebih tua ini terjauh jaraknya dari pusat penyebaran dan merupakan kerak berikutnya yang akan bersubduksi. Peta umur dasar laut telah terbukti benar dengan menghitung penanggalan usai dari ratusan sampel batuan yang dikumpulkan dari lantai samudera.

Kajian Seismik

Bukti lebih banyak untuk penyebaran dasar laut berasal dari kajian seismik yang menunjukkan bahwa gempa bumi terjadi di sepanjang celah lembah punggung tengah samudera dan keretakan pemotongan silang yang melewatinya. Gempa bumi celah lembah hanya berlangsung di sepanjang patahan transform, bagian-bagian dari zona retakan berlokasi di antara bagian punggungan dan celah lembah yang terlewati.

Karena cara penyebaran dasar laut (menjauh dari kedua sisi punggung tengah samudera), patahan transform adalah satu-satunya daerah di sepanjang zona rekahan di mana bagian-bagian kerak samudera saling melewati satu dengan lainnya dalam arah yang berlawanan. Konsentrasi gempa bumi di bagian patahan transform zona rekahan lebih lanjut mendukung konsep gerakan kerak samudera menjauh dari punggung tengah samudera.

Teori Lempeng Tektonik Modern

Pada 1960-an, teori pergeseran benua dan pelebaran dasar laut didukung oleh data ilmiah yang dapat diandalkan dan dikombinasikan untuk mengembangkan teori tektonik lempeng modern sekarang ini. Teori ini menyatakan bahwa mantel dan kerak paling atas, atau litosfer, terbagi ke dalam sejumlah irisan besar yang padat dan kaku disebut lempeng.

Irisan ini bergerak perlahan di atas astenosfer, zona dengan ketebalan 200 kilometer yang material mantelnya lebih plastis yang mendasari lempeng. Kerak samudera baru tercipta pada puncak punggung tengah samudera dan didorong menjauh secara lateral oleh akumulasi kerak baru. Kerak baru ini mulai mendingin ketika bergerak menjauh dari aliran panas tinggi di punggungan.

Sejalan dengan waktu, kerak tersebut disubduksi pada batas konvergen dengan lempeng lainnya, dingin dan cukup padat untuk mulai tenggelam kembali ke daam mantel. Subduksi juga mungkin sebuah fungsi dari arus konveksi bolak-balik di bawah lempeng konvergen.

Pemetaan geologi secara rinci terhadap benua telah menunjukkan bahwa lempeng kerak telah bergerak, bertabrakan bersama untuk membentuk massa benua baru, dan pecah lagi beberapa kali dalam dua miliar tahun terakhir, dan kemungkinan lebih lama. Rekonstruksi dari lereng-lereng purba pada geologi masa lalu mengungkapkan hubungan keruangan yang sama antara jenis medan yang kita lihat sekarang ini di sepanjang batas konvergen, divergen, dan transform.

Zona suture mewakili garis-garis yang memisahkan massa kerak yang bertabrakan dan bergabung bersama bisa dipetakan di lapangan. Pangaea, benua super yang ada sekitar 200 juta tahun yang lalu, terdiri atas massa benua lainnya yang telah direkatkan bersama selama tabrakan lempeng tektonik sebelumnya.

Bagaimana Lempeng Bergerak

Kebanyakan lempeng terdiri atas kerak benua dan kerak samudera. Lempeng saling bergerak menjauh dengan lainnya di pusat penyebaran (batas divergen). Batas lempeng konvergen memisahkan lempeng-lempeng yang bergerak ke arah lempeng lain. Batas lempeng transform adalah zona patahan di mana dua lempeng meluncur dari arah berlawanan. Kerak samudera tersubduksi ke bawah kerak benua atau di palung samudera. Kerak benua lebih padat dibandingkan kerak samudera dan karena itu tidak akan bersubduksi karena beratnya lebih ringan.

Dibandingkan dengan tepinya, interior lempeng relatif lebih stabil, dengan beberapa gempa bumi dan sedikit aktivitas batuan beku atau deformasi struktur. Banjir basal dan gumpalan mantel “hot spot” telah diketahui berlangsung di interior, tetapi mayoritas aktivitas seismik, vulkanik, dan pembangunan pegunungan berlangsung di sepanjang perbatasan lempeng (Gambar 3) termasuk seringnya gempa bumi.

Gambar 3: Lempeng tektonik bumi

Mengapa Lempeng-lempeng Bergerak

Batas lempeng dan lempeng bergerak sepanjang waktu. Seperti dijelaskan sebelumnya, lempeng bisa mengubah lokasi palung dan zona subduksi, seperti posisi punggung tengah samudera dan patahan transform. Contoh, subduksi pada batas konvergen bisa berhenti di satu lokasi dan mulai mendekati lempeng lain. Lempeng bisa menjadi lebih besar atau lebih kecil sepanjang waktu bergantung pada tingkat regenerasi kerak baru pada pusat penyebaran dan tingkat subduksi.

Arus Konveksi

Beberapa ahli geologi mendukung arus konveksi di dalam mantel sebagai penjelasan terbaik untuk gerakan lempeng tektonik. Hal ini sangat masuk akal untuk mengasumsikan bahwa panas yang dipancarkan dari inti menciptakan arus konveksi di dalam mantel, dan batuan mantel mulai bergerak secara plastis.

Gerakan konveksi pada lapisan teratas mantel bisa menarik batuan litosfer, memecahnya ke dalam lempeng-lempeng besar yang bergerak perlahan pada permukaan astenosfer yang lebih plastis. Kemungkinan lainnya adalah bahwa pada batas 670 kilometer dalam mantel alur konveksi terpecah ke bagian teratas dan terbawah; konveksi pada bagian terbawah dapat menginduksi arus konveksi di bagian teratas (kurang lebih 670 kilometer dalamnya) yang menggerakkan lempeng.

Yang lainnya percaya bahwa gerakan lempeng pada permukaan menciptakan mantel yang mendasari konveksi, yaitu ketika lempeng-lempeng menyimpang, mantel batuan terpaksa muncul ke bagian atas untuk mengisi ruang di antara lempeng-lempeng, membantu untuk mendorongnya berpisah; ketika lempeng-lempeng bergerak menjauh dari pusat penyebaran, lempeng mendingin dan mulai tenggelam, menciptakan arus bawah.

Mekanisme gerakan lempeng dan subduksi. Tiga mekanisme telah diusulkan untuk menjelaskan mengapa lempeng bergerak terpisah dan bersubduksi: slab-pull, ridge-push, dan trench-suction. Slab-pull adalah hasil lempeng bersubduksi pada sudut yang curam melalui mantel; gerakan ke bawah ini cenderung untuk menarik sisi lainnya dari lempeng menjauh dari puncak punggungan.

Teori Ridge-push menyatakan bahwa kerak baru mendingin ketika bergerak menjauh dari punggungan, menjadi lebih padat, tenggelam, dan membentuk lereng pada punggung tengah samudera. Lereng paralel kemungkinan berkembang di bawah dasar lempeng litosfer. Permukaan ini merupakan zona lemah yang membantu lempeng bergerak menjauh dari punggungan. Ketika sebuah lempeng tersubduksi pada sudut miring, juga tercipta trench-suction yang menarik lempeng di atasnya, dan palung, menuju punggungan.

Mantel Plume

Batuan mantel panas yang muncul ke atas permukaan bumi dalam kolom sempit disebut mantel plume. Plume dapat berada di bawah kerak benua atau samudera atau di sepanjang perbatasan lempeng. Plume diperkirakan menyebar ke luar secara lateral pada dasar benua, menghasilkan pertambahan tekanan yang dapat membentangkan kerak dan menghasilkan pengangkatan, patahan, rekahan, atau banjir basal.

Mantle plume dianggap cukup kuat untuk menyebabkan rekahan dan pembentukan lempeng. Tekanan menciptakan wilayah kubah yang pada akhirnya terbagi ke dalam pola tiga bagian (pertigaan (triple junction) atau titik pertigaan (triple point)). Apabila rekahan berlanjut, dua dari tiga patahan menjadia aktif, membentuk batas kontinen dua benua baru. Dua patahan bertemu untuk membentuk batas divergen aktif yang menghantarkan kekuatan tektonik. “Lengan’ ketiga menjadi rekahan yang gagal, atau aulacogen, yang secara cepat diisi dengan sedimen.

Contoh terbaik pertigaan di dunia disediakan oleh tiga patahan yang ditandai oleh Laut merah, Teluk Aden, dan African Rift Valley tak aktif. Rekahan ini memisahkan Semenanjung Arab dari benua Afrika dan diduga terkait dengan mantle plume. Wilayah lainnya yang didasari oleh mantle plume adalah Kepulauan Hawaii (kerak samudera) dan Taman Nasional Yellowstone (kerak benua) di Amerika Serikat.

Pangaea

Pangaea adalah massa daratan superbenua yang diakui oleh ahli geologi telah dipisahkan oleh aktivitas lempeng tektonik. Sebelumnya tumbukan lempeng tektonik telah menyatukan massa benua lainnya bersama untuk membentuk Pangaea.
Bukti-bukti termasuk paleomagnetisme dan korelasi fitur geologi yang unik menunjukkan bahwa Pangaea mulai terpecah kira-kira 200 juta tahun yang lalu. Dua zona retakan arah timur-barat memisahkan Pangaea ke dalam dua bagian: ke utara, Laurasia (Amerika Utara dan Eurasia) dan ke selatan. Gondwanaland (Amerika seatan, Afrika, India, Australia, dan Antarktika sekarang ini).

Kejadian retakan ditandai dengan pencurahan aliran lava basaltik besar. Setelah 20 juta tahun peretakan, kedua massa daratan yang dipisahkan oleh samudera di dekatnya membentuk Laut Tethys (termasuk kelahiran Samudera Atlantik). Selama periode Jurassik, kira-kira 135 juta tahun yang lalu, retakan lebih banyak mulai memotong dua massa daratan menjadi benua-benua seperti yang kita kenal sekarang. 65 juta tahun yang lalu, punggung tengah samudera Atlantik dan patahan transform terkait mulai berkembang, Amerika Selatan sepenuhnya dipisahkan dari Afrika, dan Amerika Utara mulai melayang ke Eropa.