14Punggung Samudra dan Litosfer Samudra

Pada bulan Februari 1977 sebuah kereta luncur kamera yang ditarik 2500 meter di bawah permukaan laut di atas Retakan Galápagos, di Pasifik timur, memotret lava hitam yang gundul di punggung samudra itu, bingkai demi bingkai. Lalu termometernya mencatat sedikit kenaikan suhu air, dan pada foto-fotonya lava itu tertutup ratusan kerang putih. Beberapa hari kemudian kapal selam Alvin membawa dua ahli geologi turun ke tempat itu: air hangat yang berkilauan mengalir keluar dari retakan-retakan lava, dan di sekitarnya hidup kerang sepanjang lengan bawah, remis, dan kepiting putih; pada penyelaman berikutnya, cacing tabung dengan ujung merah. Tidak ada yang menduga ada kehidupan di sana, jadi tidak ada ahli biologi di kapal. Bab ini menjelaskan apa yang telah ditemukan para ahli geologi itu: bagaimana dasar samudra dibuat di punggung samudra, mengapa dasar itu panas di sana, dan apa yang terjadi padanya ketika ia bergerak menjauh.

Yang sudah kamu ketahui

Di punggung samudra dasar samudra baru dibuat dan bergerak menjauh di kedua sisi, sehingga umurnya bertambah seiring jaraknya dari sumbu; punggung-punggung samudra membentuk sistem sepanjang sekitar $65\,000\,\mathrm{km}$, dengan lembah retakan di sepanjang punggung yang lambat dan puncak yang mulus di sepanjang punggung yang cepat (Bab 10). Lempeng-lempeng saling menjauh melintasi punggung samudra dengan kecepatan beberapa sentimeter setahun, lebih cepat melintasi Tinggian Pasifik Timur daripada melintasi Punggung Tengah Atlantik (Bab 13). Litosfer adalah kulit luar yang kaku, astenosfer di bawahnya mengalir; suhu astenosfer hanya naik sekitar $0.45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer kedalaman, dan suhu leleh batuan mantel naik seiring kedalaman (Bab 12). Magma adalah batuan cair di bawah permukaan, basalt adalah batuan gelap yang terbentuk dari lava yang mendingin, dan sesar adalah rekahan yang di sepanjangnya batuan telah bergeser (Buku 1, kelas 6 dan 7).

14.1 Litosfer samudra

Dua batuan yang jarang dijumpai di permukaan benua membentuk sebagian besar litosfer samudra.

Definisi 14.1 (Peridotit)

Yang disebut peridotit adalah batuan gelap berbutir kasar yang sebagian besar terdiri atas mineral olivin, dengan sedikit piroksen. Batuan ini biasanya hijau dan rapat. Sebagian besar mantel Bumi diyakini terdiri atas peridotit.

Definisi 14.2 (Gabro)

Yang disebut gabro adalah batuan beku gelap berbutir kasar yang terutama terdiri atas feldspar plagioklas dan piroksen. Komposisinya sama dengan basalt, tetapi gabro mengkristal dengan lambat, jauh di bawah tanah, sehingga kristal-kristalnya mempunyai waktu untuk tumbuh. Gabro adalah batuan yang paling melimpah di kerak samudra bagian dalam.

Mineral-mineral yang disebut di sini, yaitu olivin, piroksen, dan feldspar, diperikan pada Bab 16.

Definisi 14.3 (Kerak samudra; litosfer samudra)

Yang disebut kerak samudra adalah kerak dasar samudra: basalt dan gabro setebal sekitar $7\,\mathrm{km}$, yang dibuat di punggung samudra. Yang disebut litosfer samudra adalah kerak samudra bersama peridotit kaku mantel paling atas di bawahnya.

Survei seismik di seluruh samudra memberikan tebal rata-rata kerak samudra sebesar $7.1\,\mathrm{km}$, dengan selisih kira-kira $0.8\,\mathrm{km}$, jauh dari zona rekahan dan titik panas. Lapisan-lapisannya diketahui dari pengeboran dalam dan dari irisan dasar samudra tua yang terdorong naik ke atas benua. Pada tahun 2005 sebuah kapal bor menyelesaikan lubang sedalam $1507\,\mathrm{m}$ ke dalam kerak berumur 15 juta tahun di Pasifik timur, lubang pertama yang menembus dari lava, melalui retas, sampai ke gabro:

• di bagian atas, selimut tipis sedimen, yang tidak ada di sumbu punggung dan lebih tebal di dasar yang lebih tua;
• lava basalt setebal lebih dari $800\,\mathrm{m}$, yang meletus di dasar laut sebagai lembaran dan sebagai lava bantal, tabung dan gumpalan lava yang membulat dengan kulit seperti kaca;
• retas berlapis, setebal $346\,\mathrm{m}$ di lubang ini: ratusan lembaran basalt yang tegak, masing-masing adalah retakan yang membeku tempat magma naik menuju letusan, berjajar seperti halaman-halaman buku;
• gabro, yang dicapai $1407\,\mathrm{m}$ di bawah dasar laut, yaitu magma yang mengkristal dengan lambat di bawah retas, sampai ke Moho;
• di bawah Moho, peridotit mantel.

14.2 Meleleh tanpa dipanaskan

Mantel di bawah punggung samudra adalah peridotit padat, seperti di tempat lain. Namun basalt dan gabro setebal $7\,\mathrm{km}$, batuan cair yang membeku, berasal darinya. Dari mana lelehan itu datang?

Definisi 14.4 (Pelelehan sebagian; pelelehan dekompresi)

Yang disebut pelelehan sebagian adalah pelelehan sebagian saja dari suatu batuan: beberapa mineralnya, atau beberapa komponennya, meleleh, sementara sisanya tetap padat. Yang disebut pelelehan dekompresi adalah pelelehan sebagian batuan yang naik, sehingga makin lama makin kurang termampatkan, tanpa dipanaskan.

Ketika dua lempeng saling menjauh, astenosfer naik di bawah punggung samudra untuk mengisi celahnya. Astenosfer naik terlalu cepat untuk kehilangan banyak kalor, sehingga suhunya hanya turun sekitar $0.45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer selama naik. Suhu lelehnya, yang bergantung pada tekanan, turun jauh lebih cepat: sekitar $3.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer pada kedalaman $50\,\mathrm{km}$. Pada kedalaman tertentu batuan yang naik itu mencapai suhu lelehnya dan mulai meleleh, meskipun tidak ada kalor yang ditambahkan.

Metode 14.5 (Di mana mantel yang naik meleleh?)

1. Tuliskan suhu batuan yang naik pada setiap kedalaman: suhu potensialnya (suhu yang akan dimilikinya di permukaan) ditambah $0.45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer kedalaman.
2. Tuliskan suhu leleh batuan itu pada setiap kedalaman, dari tekanan pada kedalaman itu.
3. Tentukan kedalaman tempat keduanya sama. Lebih dalam lagi, batuan itu padat; lebih dangkal, batuan itu sebagian cair.

Contoh 14.6 (Kedalaman pelelehan)

Untuk mantel dengan suhu potensial $1300\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, batuan yang naik bersuhu $1300 + 0.45 \times 54 \approx 1324\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ketika mencapai $54\,\mathrm{km}$, tepat suhu lelehnya pada kedalaman itu: pelelehan mulai pada kedalaman sekitar $54\,\mathrm{km}$. Di atas kedalaman itu batuan terus meleleh selama naik.

Hanya sebagian kecil peridotit yang meleleh, dan lelehannya bukan peridotit: lelehan itu basalt. Lelehan basalt berkumpul dari seluruh daerah pelelehan, yang membentang dari kedalaman awal pelelehan sampai dasar kerak; karena lebih ringan daripada batuan padat di sekitarnya, lelehan itu naik ke sumbu punggung. Di sana sebagian magma meletus sebagai lava, sebagian membeku sebagai retas di retakan yang dilaluinya, dan sebagian mengkristal dengan lambat di bawahnya sebagai gabro. Peridotit padat yang tertinggal, yang telah kehilangan basaltnya, menjadi bagian mantel litosfer samudra.

Di tempat punggung samudra melintasi wilayah mantel yang lebih panas, di sekitar titik panas, pelelehan mulai lebih dalam, kolom batuan yang meleleh lebih panjang, dan lebih banyak basalt yang dibuat: di sana kerak setebal sekitar $10\,\mathrm{km}$, bukan 7. Sebaliknya, di bawah punggung yang sangat lambat, mantel yang naik mempunyai waktu untuk kehilangan kalor, meleleh lebih sedikit, dan membuat kerak yang luar biasa tipis.

14.3 Punggung yang cepat dan yang lambat

Punggung-punggung samudra membuka dengan kecepatan yang sangat berbeda. Bila dihitung dari kutub rotasi pada Bab 13, Tinggian Pasifik Timur pada $30{}^{\circ}$ LS membuka $14.6\,\mathrm{cm}$ setahun, Punggung Tengah Atlantik pada lintang yang sama $3.3\,\mathrm{cm}$ setahun. Bentuk sumbunya tidak sama.

Di sepanjang punggung yang lambat, sumbunya berupa lembah sedalam 1 sampai $2\,\mathrm{km}$ dan selebar 20 sampai $30\,\mathrm{km}$. Magma yang mencapai sumbu terlalu sedikit untuk mengisi celahnya terus-menerus: litosfer yang dingin dan getas tertarik terpisah dan patah di sepanjang sesar-sesar.

Definisi 14.7 (Sesar normal)

Yang disebut sesar normal adalah sesar miring yang di sepanjangnya blok di atas bidang sesar telah bergerak turun relatif terhadap blok di bawahnya. Sesar normal terbentuk di tempat kerak teregang.

Lembah punggung yang lambat adalah blok yang telah turun di antara sesar-sesar normal yang saling berhadapan; hampir semuanya miring ke arah sumbu. Blok yang turun seperti itu di antara sesar-sesar normal disebut graben.

Di sepanjang punggung yang cepat, magma cukup sering datang untuk mengisi celahnya. Sumbunya berupa tinggian yang mulus dan landai, di atas lensa magma yang terletak di bawahnya.

Contoh 14.8 (Punggung yang lambat dan yang cepat)

Dalam sejuta tahun Tinggian Pasifik Timur pada $30{}^{\circ}$ LS membuat $14.6\,\mathrm{cm}/\mathrm{yr} \times 10^6\ \text{tahun} = 146\,\mathrm{km}$ dasar samudra baru, $73\,\mathrm{km}$ di setiap sisi; Punggung Tengah Atlantik pada lintang yang sama membuat $33\,\mathrm{km}$, $16.5\,\mathrm{km}$ di setiap sisi. Lubang dalam di Pasifik timur menembus kerak yang dibuat dengan laju lebih dari $20\,\mathrm{cm}$ setahun, salah satu pemekaran tercepat yang pernah tercatat.

14.4 Ventilasi hidrotermal

Kerak muda di sumbu itu panas, dan penuh retakan. Air laut menemukan jalan masuk.

Definisi 14.9 (Sirkulasi hidrotermal; perokok hitam)

Yang disebut sirkulasi hidrotermal adalah aliran air laut turun melalui retakan-retakan kerak samudra yang panas, tempat air itu dipanaskan oleh magma di bawahnya dan bereaksi dengan batuan, lalu naik kembali ke dasar laut, tempat air itu keluar di ventilasi hidrotermal. Yang disebut perokok hitam adalah ventilasi yang mengeluarkan air yang sangat panas yang membawa logam-logam terlarut; ketika air itu bertemu dengan air laut yang dingin, besi sulfida dan mineral-mineral lain mengendap sebagai awan hitam, dan membangun cerobong di sekeliling ventilasi itu.

Air perokok hitam biasanya keluar dari cerobongnya pada suhu sekitar $350\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dan air ventilasi dapat mencapai $400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Air itu tidak mendidih, karena dua setengah kilometer air menekannya. Cerobong-cerobong itu dapat tumbuh lebih tinggi daripada $10\,\mathrm{m}$. Di sekitar ventilasi, bakteri memperoleh energinya dari hidrogen sulfida dalam air ventilasi, dan menjadi makanan bagi cacing tabung, udang, dan remis: kerang-kerang di Retakan Galápagos hidup dari hal ini. Sebagian besar ventilasi terletak di sepanjang punggung tengah samudra.

Sejarah — Alvin di Retakan Galápagos, 1977

Ekspedisi itu, yang dibiayai oleh Yayasan Sains Nasional Amerika Serikat, dimulai pada 8 Februari 1977 di atas kapal riset Knorr. Kereta luncur kamera ANGUS, yang ditarik $2500\,\mathrm{m}$ di bawah permukaan laut di atas retakan itu, mencatat kenaikan suhu air, dan pada bingkai-bingkai yang sama foto-fotonya menunjukkan ratusan kerang putih dan cangkang remis cokelat di atas lava. Pada penyelaman Alvin yang ke-713, ahli geologi Jack Corliss dan Tjeerd van Andel menemukan air bersuhu $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ yang berkilauan keluar dari retakan-retakan, lalu sampai $17\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, sedangkan air dalam di sekitarnya bersuhu $2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; kerang putih sepanjang sampai $30\,\mathrm{cm}$ menutupi daerah selebar sekitar $50\,\mathrm{m}$. Tidak ada ahli biologi di kapal: ekspedisi itu datang untuk mencari air panas, dan menemukan komunitas hewan yang tidak pernah dibayangkan siapa pun.

14.5 Mendingin, menebal, tenggelam

Ketika bergerak menjauhi sumbu, litosfer mendingin dari atas, melalui samudra dingin di atasnya. Lapisan yang telah mendingin makin tebal seiring waktu: litosfer menebal, dari beberapa kilometer di sumbu sampai sekitar seratus kilometer di dasar yang tua. Batuan yang mendingin menyusut dan menjadi lebih rapat, sehingga litosfer mengapung lebih rendah di atas astenosfer (isostasi, Bab 12): dasar samudra tenggelam seiring umurnya. Untuk benda yang mendingin secara konduksi dari permukaannya, tebal lapisan yang telah mendingin bertambah sebanding dengan akar kuadrat waktu.

Proposisi 14.10 (Kedalaman dasar samudra terhadap umurnya)

Rata-rata, dasar samudra berumur $t$ (dalam juta tahun) terletak pada kedalaman

$$d(t) = 2500 + 350\sqrt{t} \quad \text{meter} \qquad (0 \le t \le 70),$$

dan, untuk dasar yang lebih tua daripada sekitar 20 juta tahun,

$$d(t) = 6400 - 3200\,e^{-t/62.8} \quad \text{meter}:$$

dasar itu tenggelam dengan cepat selama masih muda, lalu makin lama makin lambat, menuju sekitar $6400\,\mathrm{m}$. (Diterima tanpa bukti: rumus-rumus itu dicocokkan dengan kedalaman Pasifik Utara dan Atlantik Utara, yang dikoreksi untuk berat sedimennya, oleh Parsons dan Sclater pada tahun 1977.)

Akar kuadrat membuat dasar yang muda tenggelam dengan cepat: dalam sejuta tahun pertamanya dasar itu tenggelam $350\,\mathrm{m}$, dalam tiga juta tahun berikutnya $350\,\mathrm{m}$ lagi, dan antara 16 dan 64 juta tahun $1400\,\mathrm{m}$, sama banyaknya dengan enam belas juta tahun pertamanya. Hukum eksponensial memerikan bagaimana dasar yang tua berhenti tenggelam: dasar itu berperilaku seakan-akan lempeng yang mendingin itu mempunyai tebal yang tetap, sekitar $125\,\mathrm{km}$.

Kedalaman terukur dasar yang muda sesuai dengan hukum itu sampai sekitar $100\,\mathrm{m}$. Pada dasar yang lebih tua, median yang terukur terletak beberapa ratus meter di atas hukum-hukum itu. Hukum-hukum itu memerikan kedalaman dasar itu sendiri, seakan-akan sedimennya disingkirkan; sel-sel yang terukur masih membawa sedimennya, yang makin tebal seiring umur dasar dan setebal lebih dari satu kilometer di dasar yang paling tua di Atlantik Utara bagian barat, dan sel-sel itu mencakup gunung bawah laut dan dataran tinggi vulkanik.

Karena itu litosfer samudra yang tua tebal, dingin, dan rapat. Bab berikutnya menunjukkan bahwa litosfer itu dapat menjadi lebih rapat daripada astenosfer di bawahnya, dan tenggelam kembali ke dalam mantel (Bab 15).

14.6 Latihan

Latihan 14.1 ★

Definisikan peridotit dan gabro. Mana di antara keduanya yang termasuk kerak samudra, dan mana yang termasuk mantel? Gabro mempunyai komposisi yang sama dengan basalt: mengapa kristalnya jauh lebih besar?

Solusi

Solusi Latihan 14.1.

Peridotit adalah batuan gelap berbutir kasar yang sebagian besar terdiri atas olivin, dengan sedikit piroksen; sebagian besar mantel terdiri atas batuan ini. Gabro adalah batuan beku gelap berbutir kasar yang terdiri atas feldspar plagioklas dan piroksen, batuan yang paling melimpah di kerak samudra bagian dalam. Gabro termasuk kerak, peridotit termasuk mantel. Gabro mengkristal dengan lambat, jauh di bawah dasar laut, tempat magma mendingin dengan lambat: kristal-kristalnya mempunyai waktu untuk tumbuh. Lava basalt mendingin dengan cepat di dasar laut, dan kristal-kristalnya tetap kecil.

Latihan 14.2 ★

Sebutkan lapisan-lapisan litosfer samudra dari dasar laut ke bawah. Lubang dalam di Pasifik timur mencapai $1507\,\mathrm{m}$ di bawah dasar laut: berapa bagian kerak setebal $7.1\,\mathrm{km}$ yang telah ditembusnya?

Solusi

Solusi Latihan 14.2.

Dari dasar laut ke bawah: sedimen (tidak ada di sumbu), lava basalt (lava bantal dan aliran lembaran), retas berlapis, gabro, lalu, di bawah Moho, peridotit mantel. Lubang itu menembus $1507/7100 \approx 0.21$, sekitar seperlima kerak: gabro bagian dalam dan Moho belum pernah dicapai oleh bor.

Latihan 14.3 ★

Dengan $d = 2500 + 350\sqrt{t}$, tentukan kedalaman dasar samudra yang berumur 0, 9, dan 25 juta tahun.

Solusi

Solusi Latihan 14.3.

$d(0) = 2500\,\mathrm{m}$; $d(9) = 2500 + 350 \times 3 = 3550\,\mathrm{m}$; $d(25) = 2500 + 350 \times 5 = 4250\,\mathrm{m}$.

Latihan 14.4 ★

Definisikan sesar normal. Di punggung yang lambat, gaya apa yang membuat sesar normal, dan ke arah mana blok-blok di atas sesar bergerak?

Solusi

Solusi Latihan 14.4.

Sesar normal adalah sesar miring yang di sepanjangnya blok di atas bidang sesar telah bergerak turun relatif terhadap blok di bawahnya. Di punggung yang lambat, lempeng-lempeng menarik litosfer yang dingin dan getas sehingga terpisah: litosfer itu teregang, dan patah. Blok-blok di atas sesar meluncur turun, ke arah sumbu, dan lembah sumbu adalah blok yang telah turun di antara sesar-sesar itu.

Latihan 14.5 ★

Air perokok hitam keluar pada suhu sekitar $350\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Mengapa air itu tidak mendidih? Apakah “asap” hitam itu?

Solusi

Solusi Latihan 14.5.

Air itu tidak mendidih karena tekanan: lebih dari dua kilometer air menekannya, dan di bawah tekanan itu air tetap cair jauh di atas $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. “Asap” hitam itu adalah awan butir-butir halus besi sulfida dan mineral-mineral lain, yang mengendap ketika air ventilasi yang panas, yang kaya akan logam terlarut, bertemu dengan air laut yang dingin.

Latihan 14.6 ★★

Dengan gambar pelelehan: (1) pada kedalaman berapa mantel dengan suhu potensial $1300\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ mulai meleleh, dan pada suhu berapa? (2) Bagaimana dengan mantel yang $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ lebih panas? (3) Mana di antara keduanya yang membuat kerak yang lebih tebal? Mengapa?

Solusi

Solusi Latihan 14.6.

(1) Pada kedalaman sekitar $54\,\mathrm{km}$, pada suhu sekitar $1324\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (2) Pada kedalaman sekitar $85\,\mathrm{km}$, pada suhu sekitar $1400 + 0.45 \times 85 \approx 1438\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (3) Mantel yang lebih panas mulai meleleh lebih dalam, sehingga kolom batuan yang naik yang meleleh sebelum mencapai kerak lebih panjang: mantel itu membuat lebih banyak basalt, dan kerak yang lebih tebal.

Latihan 14.7 ★★

Batuan mantel yang naik dengan suhu potensial $1300\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ bersuhu $1345\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ pada kedalaman $100\,\mathrm{km}$, tempat suhu lelehnya $1489\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (1) Berapa derajat suhunya di bawah suhu lelehnya? (2) Batuan itu mulai meleleh pada $54\,\mathrm{km}$. Berapa derajat per kilometer, rata-rata, selisih itu menyempit selama naik? (3) Apakah batuan itu telah dipanaskan?

Solusi

Solusi Latihan 14.7.

(1) $1489 - 1345 = 144\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ di bawah suhu lelehnya. (2) Batuan itu naik $100 - 54 = 46\,\mathrm{km}$; selisihnya menyempit rata-rata $144/46 \approx 3.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer. (3) Tidak: selama naik batuan itu bahkan sedikit mendingin, sekitar $0.45 \times 46 \approx 21\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Suhu lelehnyalah yang turun, jauh lebih cepat, ketika tekanan berkurang.

Latihan 14.8 ★★

Tinggian Pasifik Timur membuka $14.6\,\mathrm{cm}$ setahun pada $30{}^{\circ}$ LS, Punggung Tengah Atlantik $3.3\,\mathrm{cm}$ setahun. Dengan menganggap pemekarannya simetris, berapa lama waktu yang diperlukan setiap punggung untuk membuat dasar sepanjang $1000\,\mathrm{km}$ di satu sisi?

Solusi

Solusi Latihan 14.8.

Laju setengahnya $7.3\,\mathrm{cm}$ dan $1.65\,\mathrm{cm}$ setahun, yaitu $73\,\mathrm{km}$ dan $16.5\,\mathrm{km}$ per sejuta tahun. Untuk membuat dasar sepanjang $1000\,\mathrm{km}$ di satu sisi: $1000/73 \approx 13.7$ juta tahun untuk Tinggian Pasifik Timur, $1000/16.5 \approx 61$ juta tahun untuk Punggung Tengah Atlantik.

Latihan 14.9 ★★

Punggung-punggung samudra panjangnya sekitar $65\,000\,\mathrm{km}$. Misalkan punggung-punggung itu membuka rata-rata $5\,\mathrm{cm}$ setahun dan membuat kerak setebal $7.1\,\mathrm{km}$. (1) Berapa luas dasar samudra baru yang dibuatnya setiap tahun? (2) Berapa volume keraknya? (3) Berapa lama waktu yang diperlukannya untuk membuat luas yang sama dengan luas samudra, $3.6 \times 10^{8}\,\mathrm{km}^{2}$?

Solusi

Solusi Latihan 14.9.

(1) $5\,\mathrm{cm}$ sama dengan $5 \times 10^{-5}\,\mathrm{km}$: $65000 \times 5 \times 10^{-5} = 3.25\,\mathrm{km}^{2}$ dasar baru setahun. (2) $3.25 \times 7.1 \approx 23\,\mathrm{km}^{3}$ kerak setahun. (3) $3.6 \times 10^8 / 3.25 \approx 1.1 \times 10^8$ tahun, sekitar 110 juta tahun: dengan laju ini punggung-punggung samudra dapat membuat seluruh dasar samudra dalam sekitar seratus juta tahun, waktu yang singkat dibandingkan dengan umur Bumi. Itulah sebabnya tidak ada dasar samudra yang sangat tua.

Latihan 14.10 ★★

Sebuah lembah sumbu sedalam $1.5\,\mathrm{km}$. Lembah itu turun di sepanjang dua sesar normal yang saling berhadapan, masing-masing miring $60{}^{\circ}$. (1) Berapa jauh setiap sesar bergeser di sepanjang bidangnya? (2) Berapa jauh kedua sisi saling menjauh secara mendatar karena kedua sesar itu? (3) Lembah itu selebar $25\,\mathrm{km}$: apakah pensesaran saja yang membuatnya?

Solusi

Solusi Latihan 14.10.

(1) Bidang sesar membentuk sudut $60{}^{\circ}$ dengan bidang datar, dan penurunannya adalah sisi tegak segitiga siku-siku yang sisi miringnya adalah pergeseran itu: $1.5/\sin60{}^{\circ} \approx 1.73\,\mathrm{km}$. (2) Setiap sesar menjauhkan kedua sisi secara mendatar sejauh $1.5/\tan60{}^{\circ} \approx 0.87\,\mathrm{km}$; kedua sesar bersama-sama, sekitar $1.73\,\mathrm{km}$. (3) Tidak. $25\,\mathrm{km}$ itu adalah jarak antara sesar-sesar yang membatasi blok yang turun, bukan besarnya peregangan, yang hanya sekitar $1.7\,\mathrm{km}$; dan punggung itu terus membuka oleh retas dan lava baru di sumbunya selain oleh pensesaran.

Latihan 14.11 ★★

Dengan $d = 6400 - 3200\,e^{-t/62.8}$, tentukan kedalaman dasar yang berumur 25 dan 100 juta tahun, dan seberapa jauh dasar itu tenggelam di antara kedua umur ini. Bandingkan nilai pertama dengan nilai menurut hukum akar kuadrat.

Solusi

Solusi Latihan 14.11.

$d(25) = 6400 - 3200\,e^{-25/62.8} \approx 6400 - 3200 \times 0.672 \approx 4251\,\mathrm{m}$; $d(100) = 6400 - 3200\,e^{-100/62.8} \approx 6400 - 3200 \times 0.203 \approx 5749\,\mathrm{m}$. Antara 25 dan 100 juta tahun dasar itu tenggelam sekitar $1500\,\mathrm{m}$. Hukum akar kuadrat memberikan $2500 + 350 \times 5 = 4250\,\mathrm{m}$ pada 25 juta tahun: kedua hukum itu sesuai, di tempat keduanya berlaku.

Latihan 14.12 ★★★

Kolom mantel setebal $100\,\mathrm{km}$ mendingin rata-rata $700\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Batuan menyusut sebesar $\alpha = 3.2 \times 10^{-5}$ dari panjangnya untuk setiap derajat pendinginan. (1) Berapa kolom itu memendek? (2) Ketika kolom itu tenggelam, air laut ($1025\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$) mengisi ruang di atasnya; dengan massa jenis mantel $3380\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, isostasi membuat dasar itu tenggelam sebesar $s = \rho_m\,\alpha\,\Delta T\,L/(\rho_m - \rho_w)$. Hitung $s$. (3) Bandingkan dengan seluruh penenggelaman yang dimungkinkan oleh hukum eksponensial, dari $2500\,\mathrm{m}$ sampai $6400\,\mathrm{m}$.

Solusi

Solusi Latihan 14.12.

(1) $\alpha\,\Delta T\,L = 3.2 \times 10^{-5} \times 700 \times 100 = 2.24\,\mathrm{km}$. (2) $s = 3380 \times 2.24/(3380 - 1025) = 7571/2355 \approx 3.2\,\mathrm{km}$. (3) Hukum eksponensial memungkinkan penenggelaman sebesar $6400 - 2500 = 3900\,\mathrm{m}$ seluruhnya: pendinginan dan penyusutan saja menjelaskan sekitar empat perlimanya, dengan nilai-nilai sederhana untuk penurunan suhu dan tebalnya.

Latihan 14.13 ★★★

Pelelehan mulai pada kedalaman $54\,\mathrm{km}$ dalam mantel bersuhu $1300\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, pada kedalaman $85\,\mathrm{km}$ dalam mantel bersuhu $1400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; pada keduanya, pelelehan berlanjut sampai dasar kerak, pada kedalaman sekitar $7\,\mathrm{km}$. (1) Bandingkan panjang kedua kolom pelelehan itu. (2) Jika setiap kilometer batuan yang naik memberikan jumlah lelehan yang sama, berapa tebal kerak di atas mantel yang lebih panas, bila kerak di atas mantel yang normal setebal $7.1\,\mathrm{km}$? (3) Bandingkan dengan $10.3\,\mathrm{km}$ yang terukur di tempat punggung samudra bertemu dengan mantel yang lebih panas.

Solusi

Solusi Latihan 14.13.

(1) $54 - 7 = 47\,\mathrm{km}$ dibandingkan dengan $85 - 7 = 78\,\mathrm{km}$: kolom yang lebih panas $78/47 \approx 1.66$ kali lebih panjang. (2) $7.1 \times 1.66 \approx 11.8\,\mathrm{km}$. (3) $10.3\,\mathrm{km}$ yang terukur lebih tebal daripada normal, seperti yang diramalkan, tetapi kurang dari taksiran itu: kilometer-kilometer terdalam kolom itu, tepat di atas awal pelelehan, memberikan lelehan yang lebih sedikit daripada bagian yang lebih dangkal, sehingga anggapan lelehan yang sama per kilometer memberikan taksiran yang terlalu besar.

Latihan 14.14 ★★★

Median kedalaman dasar samudra yang terukur adalah $3114\,\mathrm{m}$ pada umur $3.75$ juta tahun, $4018\,\mathrm{m}$ pada $22.5$, $4465\,\mathrm{m}$ pada $42.5$, dan $4648\,\mathrm{m}$ pada $62.5$. (1) Hitung kedalaman yang diberikan hukum akar kuadrat pada setiap umur, dan selisihnya dengan pengukuran. (2) Bagaimana selisih itu berubah seiring umur? (3) Jelaskan.

Solusi

Solusi Latihan 14.14.

(1) Hukum itu memberikan $3178\,\mathrm{m}$, $4160\,\mathrm{m}$, $4782\,\mathrm{m}$, dan $5267\,\mathrm{m}$; median yang terukur lebih dangkal sebesar $64\,\mathrm{m}$, $142\,\mathrm{m}$, $317\,\mathrm{m}$, dan $619\,\mathrm{m}$. (2) Selisihnya bertambah seiring umur. (3) Hukum itu memberikan kedalaman dasar itu sendiri, yang dikoreksi untuk sedimennya; sel-sel yang terukur membawa sedimennya, yang lebih tebal di dasar yang lebih tua, dan mencakup gunung bawah laut dan dataran tinggi vulkanik, yang lebih dangkal daripada dasar di sekitarnya.

Latihan 14.15 ★★★

Titik kritis air berada pada $374\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan $22.064\,\mathrm{MPa}$: di atas tekanan itu, air tidak mendidih pada suhu berapa pun. (1) Hitung tekanan air pada kedalaman $2500\,\mathrm{m}$ (air laut $1025\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, $g = 9.8\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}$, ditambah $0.1\,\mathrm{MPa}$ dari atmosfer). (2) Dapatkah air sebuah ventilasi mendidih pada kedalaman itu, betapapun panasnya? (3) Di bawah kedalaman sekitar berapa hal ini berlaku untuk setiap ventilasi?

Solusi

Solusi Latihan 14.15.

(1) $p = 1025 \times 9.8 \times 2500 \approx 25.1\,\mathrm{MPa}$, ditambah $0.1\,\mathrm{MPa}$: sekitar $25.2\,\mathrm{MPa}$. (2) Nilai ini di atas tekanan kritis, $22.064\,\mathrm{MPa}$: air ventilasi itu tidak dapat mendidih, betapapun panasnya. (3) Tekanan mencapai $22.064\,\mathrm{MPa}$ pada kedalaman $(22.064 - 0.1) \times 10^6/(1025 \times 9.8) \approx 2190\,\mathrm{m}$: setiap ventilasi yang lebih dalam daripada sekitar $2200\,\mathrm{m}$ aman dari pendidihan.

14.7 Soal: Riwayat Sepotong Dasar Pasifik

Soal 14.1

Soal akhir pekan — dari punggung samudra ke samudra dalam

Sepotong dasar samudra lahir hari ini di Tinggian Pasifik Timur pada $30{}^{\circ}$ LS, tempat lempeng Pasifik dan lempeng Nazca saling menjauh $14.6\,\mathrm{cm}$ setahun. Potongan itu bergerak ke barat bersama lempeng Pasifik. Anggaplah pemekarannya simetris, keraknya setebal $7.1\,\mathrm{km}$, dan hukum kedalamannya $d = 2500 + 350\sqrt{t}$ meter ($t$ dalam juta tahun).

Bagian I — Lahir di punggung samudra.

1. Berapa laju setengah pemekarannya, dalam sentimeter setahun dan dalam kilometer per sejuta tahun?
2. Pada kedalaman berapa potongan dasar itu lahir?
3. Sebutkan batuan-batuan penyusunnya, dari dasar laut sampai dasar litosfer.
4. Magma yang membuatnya berasal dari mantel di bawahnya. Jelaskan bagaimana mantel itu meleleh tanpa dipanaskan.
5. Berapa volume kerak yang dibuat punggung ini setiap sejuta tahun, di kedua sisi, untuk setiap kilometer panjangnya?

Bagian II — Perjalanan.

6. Berapa jauh dari punggung potongan itu setelah 1, 4, 16, dan 64 juta tahun, jika lajunya tetap sama?
7. Berapa lama waktu yang diperlukannya untuk menempuh $2000\,\mathrm{km}$?
8. Mengapa jarak yang sebenarnya setelah 64 juta tahun mungkin berbeda dari jawaban pertanyaan 6?
9. Di dekat punggung, air laut beredar melalui kerak muda dan keluar di ventilasi-ventilasi. Mengapa sirkulasi ini berhenti di dasar yang tua?
10. Di atas lempeng mana potongan itu menempuh perjalanannya, dan ke arah jenis batas lempeng apa lempeng itu membawanya, di sisi baratnya?

Bagian III — Tenggelam seiring umur.

11. Hitung kedalamannya pada 1, 4, 16, dan 64 juta tahun.
12. Berapa jauh potongan itu tenggelam selama 16 juta tahun pertamanya, dan antara 16 dan 64 juta tahun? Berilah komentar.
13. Pada umur berapa potongan itu mencapai kedalaman $4000\,\mathrm{m}$?
14. Bandingkan kedalamannya pada 64 juta tahun dengan hukum eksponensial, $6400 - 3200\,e^{-t/62.8}$.
15. Median kedalaman dasar samudra berumur 60 sampai 65 juta tahun yang terukur adalah $4648\,\mathrm{m}$. Jelaskan selisihnya.

Bagian IV — Massa jenis dan nasibnya.

16. Pada umur 64 juta tahun, anggaplah litosfernya setebal $100\,\mathrm{km}$ dan rata-rata $700\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ lebih dingin daripada astenosfer. Dengan $\alpha = 3.2 \times 10^{-5}$ per derajat, sebesar berapa bagian bagian mantelnya menjadi lebih rapat? Mulai dari $3380\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, berapa massa jenisnya?
17. Keraknya setebal $7.1\,\mathrm{km}$, dengan massa jenis $2900\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$. Hitung massa jenis rata-rata seluruh litosfer setebal $100\,\mathrm{km}$ itu.
18. Bandingkan dengan astenosfer di bawahnya, yang diambil sebesar $3380\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$.
19. Apa yang dapat dilakukan litosfer seperti itu ketika mencapai palung?
20. Simpulkan: pada kedalaman berapa potongan dasar ini terletak ketika berumur 64 juta tahun?

Solusi

Solusi Soal 14.1.

1. $14.6/2 = 7.3\,\mathrm{cm}$ setahun, yaitu $73\,\mathrm{km}$ per sejuta tahun.

2. Pada kedalaman sumbu punggung, $d(0) = 2500\,\mathrm{m}$.

3. Dari dasar laut ke bawah: lava basalt (lava bantal dan aliran lembaran), retas berlapis, dan gabro, seluruhnya kerak setebal sekitar $7.1\,\mathrm{km}$; di bawah Moho, peridotit mantel, sampai dasar litosfer, yang masih sangat tipis di sumbu. Sedimen akan mengendap di atasnya kemudian.

4. Ketika lempeng-lempeng saling menjauh, astenosfer naik di bawah punggung. Suhunya hanya turun sekitar $0.45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer, sedangkan suhu lelehnya turun jauh lebih cepat ketika tekanan berkurang. Pada kedalaman sekitar $54\,\mathrm{km}$ keduanya bertemu: batuan mulai meleleh, dan terus meleleh selama naik, tanpa ada kalor yang ditambahkan (pelelehan dekompresi).

5. Setiap sejuta tahun punggung itu membuat dasar sepanjang $2 \times 73 = 146\,\mathrm{km}$ di kedua sisinya; untuk setiap kilometer punggung, volume keraknya $146 \times 7.1 \times 1 \approx 1040\,\mathrm{km}^{3}$.

6. $73 \times t$: $73\,\mathrm{km}$, $292\,\mathrm{km}$, $1168\,\mathrm{km}$, dan $4672\,\mathrm{km}$.

7. $2000/73 \approx 27$ juta tahun.

8. Lempeng-lempeng mengubah kecepatan dan arahnya dalam puluhan juta tahun, seperti yang ditunjukkan oleh tikungan rantai Hawaii–Emperor (Bab 13); laju masa kini tidak harus berlaku selama 64 juta tahun.

9. Jauh dari sumbu kerak tidak lagi berada di atas lensa magma: kerak itu mendingin, dan di bawahnya tidak ada lagi cukup kalor untuk menggerakkan sirkulasi dan memanaskan air.

10. Di barat Tinggian Pasifik Timur potongan itu menempuh perjalanan di atas lempeng Pasifik. Di sebelah barat, lempeng Pasifik berakhir di sepanjang palung-palung dalam, tempat lempeng itu tenggelam di bawah tetangga-tetangganya: zona subduksi (Bab 15).

11. $d(1) = 2850\,\mathrm{m}$, $d(4) = 2500 + 700 = 3200\,\mathrm{m}$, $d(16) = 2500 + 1400 = 3900\,\mathrm{m}$, $d(64) = 2500 + 2800 = 5300\,\mathrm{m}$.

12. $3900 - 2500 = 1400\,\mathrm{m}$ selama 16 juta tahun pertama, dan $5300 - 3900 = 1400\,\mathrm{m}$ antara 16 dan 64 juta tahun: penenggelaman yang sama, dalam waktu tiga kali lebih lama. Dasar itu tenggelam makin lama makin lambat seiring umurnya.

13. $350\sqrt{t} = 1500$ memberikan $\sqrt{t} \approx 4.29$, jadi $t \approx 18.4$ juta tahun.

14. $6400 - 3200\,e^{-64/62.8} \approx 6400 - 3200 \times 0.361 \approx 5245\,\mathrm{m}$, sekitar $55\,\mathrm{m}$ kurang dari hukum akar kuadrat: kedua hukum itu sesuai sampai sekitar $1\,\%$.

15. Median yang terukur sekitar $650\,\mathrm{m}$ lebih dangkal daripada hukum itu. Hukum itu memerikan dasar yang dikoreksi untuk berat sedimennya; kedalaman yang terukur mencakup sedimen, yang terkumpul selama puluhan juta tahun di dasar seperti itu, serta gunung bawah laut dan dataran tinggi vulkanik, yang semuanya membuat dasar yang terukur lebih dangkal.

16. $\alpha\,\Delta T = 3.2 \times 10^{-5} \times 700 = 0.0224$: bagian mantelnya $2.24\,\%$ lebih rapat, $3380 \times 1.0224 \approx 3456\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$.

17. Bagian mantelnya setebal $100 - 7.1 = 92.9\,\mathrm{km}$. Massa jenis rata-rata: $(7.1 \times 2900 + 92.9 \times 3456)/100 \approx (20590 + 321060)/100 \approx 3416\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$.

18. $3416 > 3380$: litosfer tua itu secara keseluruhan sekitar $36\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$, sekitar $1\,\%$, lebih rapat daripada astenosfer di bawahnya. Kerak yang ringan tidak lagi cukup untuk mengimbangi bagian mantelnya yang dingin dan rapat.

19. Karena lebih rapat daripada astenosfer, litosfer itu dapat tenggelam kembali ke dalam mantel di palung: subduksi, pokok bahasan bab berikutnya.

20. Pada umur 64 juta tahun potongan dasar itu terletak pada kedalaman sekitar $5300\,\mathrm{m}$: sekitar 5.3 km di bawah permukaan laut, $2.8\,\mathrm{km}$ lebih dalam daripada tempat kelahirannya.