15Masif Tua dan Siklus Wilson

Di pantai tenggara Skotlandia, di Siccar Point, lapisan-lapisan batu pasir kelabu berdiri tegak di bawah tudung batu pasir merah yang miring landai ke arah laut. Lapisan kelabu itu diendapkan di sebuah samudra pada awal Silur, lalu terlipat dan terbelah ketika samudra itu menutup; lapisan itu terkikis menjadi permukaan yang tidak rata; pada Devon Akhir, kerikil merah menimbunnya, dan pembentukan pegunungan kedua yang lebih lemah lalu memiringkan lapisan merah itu. Satu tebing merekam sebuah samudra yang telah lenyap, sebuah sabuk pegunungan yang telah hilang, dan sabuk berikutnya. Bab ini membaca rekaman semacam itu, menghimpunnya menjadi siklus yang diikuti cekungan samudra, dan mundur selangkah untuk melihat irama terpanjang dari semuanya, yaitu penyatuan dan pemecahan superbenua.

Yang sudah kamu ketahui

Dari volume-volume sekolah: Pangea dan pemecahannya, superbenua; ketidakselarasan; laju denudasi, pantulan isostatik, dan peluruhan eksponensial jajaran pegunungan yang terkikis oleh sungai-sungainya. Dari volume Tahun 1: celah benua, tepi pasif, dan punggungan tengah samudra, laju pemekaran penuh dan setengah; subduksi dan tepi aktif. Dari Bab 12 sampai Bab 14: migmatit dan granit; orogen, ofiolit, sutura, nappe, flysch dan molasse, cekungan depan-pegunungan; orogen tumbukan dan orogen tipe Andes; penebalan kerak, tebal Airy, dan keruntuhan gravitasi.

15.1 Sabuk yang terkikis sampai akarnya

Eropa Barat dan Amerika Utara bagian timur dilintasi sabuk-sabuk pegunungan yang jauh lebih tua daripada Alpen. Puncak-puncaknya telah hilang, tetapi batuannya tetap ada. Tiga di antaranya penting di sini.

Sabuk Kaledonia membentang dari Norwegia melalui Skotlandia dan Irlandia sampai Newfoundland dan Appalachia utara, dan berlanjut melalui Greenland Timur dan Svalbard. Sabuk ini adalah rekaman sebuah samudra, Iapetus, yang pada Paleozoikum awal terletak di antara Laurentia, leluhur Amerika Utara dan Greenland, di barat laut, serta Baltica dan Avalonia di tenggara dan timur. Tepi-tepinya telah terbelah sekitar 600 juta tahun yang lalu; penutupannya, dari Kambrium sampai Devon, menghasilkan serangkaian tumbukan, sehingga orogenesis Kaledonia mencakup sekitar 200 juta tahun. Istilah itu menamai sebuah tempat dan sebuah samudra, bukan suatu zaman.

Sabuk Variscan, yang dalam teks lama disebut Hercynia, melintasi Eropa dari barat daya Inggris dan Belgia melalui Prancis dan Iberia sampai Eropa tengah; sabuk Appalachia di Amerika Utara bagian timur adalah kembaran baratnya. Bersama-sama, keduanya merekam penutupan samudra-samudra di antara benua selatan, Gondwana, dan benua utara, yang baru saja disatukan oleh tumbukan-tumbukan Kaledonia. Tumbukan terakhirnya, pada Karbon Akhir dan Perm, meninggalkan sabuk lipatan yang membentang timur–barat melalui Eropa selatan dan timur laut–barat daya di antara Amerika Utara bagian timur dan Afrika barat laut, dan bersamanya superbenua Pangea.

Bagaimana orang mengenali sabuk pegunungan yang telah tererosi selama tiga ratus juta tahun? Tidak dari reliefnya, yang telah hilang. Orang mencari bagian-bagiannya, yang masing-masing telah dijumpai pada bab-bab sebelumnya:

• sutura yang dijajari ofiolit, irisan-irisan dasar samudra yang menutup;
• sabuk batuan metamorf, sering berderajat tinggi, yaitu akar kerak yang menebal, yang kini berada di permukaan karena kilometer-kilometer di atasnya telah tererosi;
• granit dan migmatit, hasil pelelehan kerak yang dibawa oleh penebalan dan pemanasan;
• sedimen samudra yang menutup dan sedimen sabuk itu: flysch yang tercurah ke cekungan dalam selama konvergensi, molasse yang tercurah ke cekungan depan-pegunungan dan cekungan antargunung;
• ketidakselarasan sudut, tempat lapisan yang lebih muda bertumpu di atas lapisan yang telah terlipat dan tererosi sebelumnya, yang memberi umur deformasi di antara keduanya.

Definisi 15.1 (Peneplain)

Yang disebut peneplain adalah permukaan daratan berelief rendah, di dekat aras dasar erosi, yang memotong batuan dengan kekerasan dan struktur yang berbeda-beda melalui erosi panjang atas suatu relief lama.

Sabuk Variscan adalah orogen yang panas. Di Alpen Bab 13, batuannya mengikuti gradien metamorfik sekitar $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer; di sabuk Variscan, sekitar $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer. Keraknya meleleh secara luas: di Masif Sentral Prancis dan Masif Armorika, migmatit terbentuk antara sekitar 330 dan 325 juta tahun yang lalu, dan granit menerobosnya. Pelelehan itulah perbedaan utamanya dengan Alpen Barat. Ketika tumbukan berakhir, kerak yang menebal menipis oleh ekstensi, batuan metamorf terangkat di sepanjang bidang lepasan, dan cekungan antargunung membuka; lalu erosi meratakan jajaran itu menjadi peneplain Perm dan Trias tempat sedimen siklus berikutnya diendapkan.

fase	umur	apa yang bertumbukan
Penobscot	490–485 Ma	busur kepulauan yang tersesar-dorong ke atas tepi Avalonia
Grampian, Taconic	480–455 Ma	busur kepulauan dan Laurentia (di Skotlandia dan Appalachia utara)
Shelve	awal Ordovisium Akhir	Avalonia dan Baltica; Laut Tornquist menutup
Skandia	425–400 Ma	Baltica dan Laurentia; nappe-nappe besar Skandinavia
Acadia	Devon Awal	terrane dari Gondwana dan benua baru; Iapetus menutup

Tabel Kaledonia di atas menunjukkan tanda lain sabuk tua: sabuk itu bersifat komposit. Sebelum kedua benua bertemu, busur-busur dan blok-blok yang lebih kecil datang satu per satu dan disatukan.

Definisi 15.2 (Terrane; mikrobenua)

Yang disebut terrane adalah blok kerak yang dibatasi sesar, yang sejarah geologinya berbeda dari sejarah tetangganya, dan yang terbawa ke posisinya sekarang oleh gerakan lempeng; terrane dapat berupa busur kepulauan, plato samudra, irisan dasar samudra, atau kepingan benua. Yang disebut mikrobenua adalah blok kerak benua, yang lebih kecil daripada benua, yang terpisah dari benua-benua oleh kerak samudra.

Avalonia adalah blok semacam itu: sejalur kerak yang meninggalkan tepi Gondwana, membuka Samudra Rheic di belakangnya pada Ordovisium, menyeberangi Iapetus, dan merapat pada Baltica, lalu Laurentia. Armorika dan Saxothuringia, yang kini berada di Prancis dan Jerman, menyusulnya berturut-turut; sutura-suturanya, yang ditandai ofiolit, membagi sabuk Variscan menjadi zona-zona dari daratan depan utara di benua utara lama sampai daratan depan selatan di Gondwana.

15.2 Siklus Wilson

Pada 1966, J. Tuzo Wilson bertanya apakah Atlantik pernah menutup lalu membuka kembali. Fosil-fosil Paleozoikum awal dan tengah memberitahunya bahwa sebuah samudra yang luas pernah memisahkan fauna Amerika Utara dari fauna Eropa Barat, samudra yang tidak lagi ada dari Paleozoikum akhir sampai pertengahan Mesozoikum. Atlantik modern telah membuka hampir di tempat samudra yang lebih tua itu, Iapetus, menutup.

Definisi 15.3 (Siklus Wilson)

Yang disebut siklus Wilson adalah urutan tahap yang dilalui suatu cekungan samudra untuk membuka dan menutup kembali di antara tepi-tepi benua: pembentukan celah benua, pemisahan dan pemekaran dasar laut, samudra yang melebar dengan tepi pasif, awal subduksi, menyempit dan menutupnya samudra, tumbukan benua, serta keruntuhan dan erosi sabuk, setelah itu benua yang telah menyatu dapat terbelah lagi di sepanjang zona yang sama.

Gambar di bawah mengikuti tahap-tahap itu. Tahap-tahap itu adalah isi bab-bab sebelumnya yang disusun berurutan: celah dan tepi pasif volume Tahun 1, tepi aktif dan busurnya, tumbukan Alpen dan Himalaya, keruntuhan gravitasi Tibet, dan pengikisan lambat sabuk-sabuk tua.

15.2.1 Seberapa lebar, seberapa lama?

Samudra tumbuh melalui pemekaran dasar laut di punggungannya dan menyusut melalui subduksi di parit-paritnya. Pembukuan sederhana memberikan lebarnya.

Proposisi 15.4 (Lebar samudra sepanjang satu siklus)

Misalkan sebuah samudra membuka pada waktu $t_0$ dan melebar dengan laju pemekaran penuh $V_s$ punggungannya, sampai zona subduksi dimulai di salah satu tepi pada waktu $t_1$ dan menghabiskan dasar samudra dengan laju $V_c$ relatif terhadap tepi itu, dengan $V_c > V_s$, sementara punggungan masih memekar. Lebarnya adalah

$$W(t) = V_s\,(t - t_0) \quad (t_0 \le t \le t_1), \qquad W(t) = V_s\,(t_1 - t_0) - (V_c - V_s)\,(t - t_1) \quad (t \ge t_1),$$

terbesar pada $t_1$, dan samudra menutup dalam waktu $V_s(t_1 - t_0)/(V_c - V_s)$ setelah subduksi dimulai. Dengan pemekaran simetris, punggungan bergerak ke arah parit dengan laju $V_c - V_s/2$.

Gambar di bawah memainkan pembukuan ini untuk samudra model bertipe Iapetus: pemekaran sejak $570\,\mathrm{Ma}$ dengan laju $30\,\mathrm{mm}$ per tahun, subduksi sejak $490\,\mathrm{Ma}$ yang menghabiskan $60\,\mathrm{mm}$ per tahun. Laju-laju itu adalah asumsi, nilai bulat seukuran yang terukur kini di samudra-samudra; Iapetus yang sebenarnya tidak sesederhana itu dan tidak dikenal sebaik itu. Samudra model itu mencapai $2400\,\mathrm{km}$ dan menutup pada $410\,\mathrm{Ma}$, di dalam rentang waktu tumbukan Skandia.

15.2.2 Membuka di tempat menutup

Gagasan Wilson bertumpu pada gagasan mekanis: sabuk tua adalah zona lemah, dan benua yang ditarik terpisah cenderung patah di sepanjang zona-zona lemahnya, bukan menembus bagian dalamnya yang kuat dan stabil.

Definisi 15.5 (Reaktivasi struktur)

Yang disebut reaktivasi struktur suatu struktur yang sudah ada (sesar, zona gerus, sutura, kontak litologi) adalah pemusatan kembali deformasi di sepanjang struktur itu, di bawah medan tegangan kemudian yang dapat berbeda dari medan tegangan yang membentuknya.

Atlantik Utara adalah kasus ujinya, dan kasus itu hanya lulus sebagian. Di Atlantik Tengah, samudra muda itu mengikuti Appalachia dengan dekat. Di antara Skandinavia dan Greenland, pemisahannya secara garis besar mengikuti sabuk Kaledonia. Lebih ke selatan tidak demikian: sutura Iapetus masih membentang melalui Inggris utara dan Irlandia tengah, dan Atlantik membuka di baratnya, meninggalkan kepingan-kepingan kerak lama Laurentia di tepi barat laut Eropa, di sekitar Rockall dan Hatton. Lebih jauh ke barat laut, Laut Labrador dan Teluk Baffin memotong lurus kraton-kraton dan sabuk-sabuk yang lebih tua. Struktur lama memandu celah-celah kemudian, tetapi tidak selalu: kelemahan yang telah mendingin lebih dari 30 sampai 50 juta tahun mungkin telah menjadi kuat, dan celah baru dapat mengikuti fabrik mantel yang lebih dalam alih-alih sutura kerak. Siklus Wilson adalah pemandu, bukan hukum.

Tidak setiap siklus membuka samudra yang luas. Banyak orogen menutup samudra embrionik, celah yang baru saja mulai memekar, yang lebarnya kurang dari sekitar $500\,\mathrm{km}$: Alpen, Pirenia, sebagian besar sabuk Variscan Eropa barat. Orogen lain menutup samudra yang luas dan matang, seperti Kaledonida Skandinavia. Perbedaannya tampak di akhir. Sabuk yang menutup samudra luas memikul busur yang berumur panjang, yang menguras bagian mudah lebur mantel di bawahnya; keruntuhannya miskin magma, seperti di Kaledonida. Sabuk yang menutup cekungan sempit terletak di atas mantel subur; keruntuhannya dapat kaya magma, seperti di sabuk Variscan, tempat Moho kini datar dan kerak bawahnya berlapis, yang dibaca sebagai basal hasil underplating di bawah kerak atau sebagai kerak bawah yang tergerus selagi panas. Dalam beberapa puluh juta tahun, anomali panas suatu sabuk memudar; struktur-strukturnya tetap ada.

15.3 Superbenua

Definisi 15.6 (Superbenua; siklus superbenua)

Yang disebut superbenua adalah daratan yang menghimpun sebagian besar kerak benua Bumi menjadi satu blok. Yang disebut siklus superbenua adalah penyatuan benua-benua secara episodik menjadi superbenua dan pemecahannya kemudian, yang berulang sepanjang sejarah Bumi.

Pangea, yang direkonstruksi Wegener dan dijelaskan dalam volume-volume sekolah, ada dari sekitar 325 sampai 200 juta tahun yang lalu. Superbenua yang lebih awal telah diajukan: Pannotia sekitar 620 sampai 580 juta tahun yang lalu, yang keberadaannya diperdebatkan; Rodinia sekitar 950 sampai 800 juta tahun yang lalu; Nuna, yang juga disebut Columbia, sekitar 1.6 sampai 1.4 miliar tahun yang lalu; dan, yang lebih diragukan, Kenorland sekitar 2.7 sampai 2.5 miliar tahun yang lalu dan Ur sekitar 3.0 miliar tahun yang lalu. Superbenua-superbenua itu tampaknya menyatu dan pecah dengan selang kira-kira setengah miliar tahun sejak mungkin Arkean akhir. Siklus itu telah dikaitkan dengan umur pembentukan pegunungan, dengan puncak-puncak umur granit dan butir zirkon yang dikandungnya, dengan pertumbuhan kerak, dengan provinsi beku besar, dengan muka laut, dan dengan iklim: penyatuan sebuah superbenua cenderung bertepatan dengan pendinginan.

Apakah siklus itu benar-benar periodik? Titik-titik tengah selang dalam bagan itu berjarak 400, 1100, 625, 275, dan 337.5 juta tahun: rata-rata sekitar 550, tetapi tersebar dengan faktor empat. “Kira-kira setengah miliar tahun” adalah kecenderungan, bukan jam, dan superbenua-superbenua yang lebih awal bertumpu pada bukti yang jarang.

15.4 Dari pegunungan menjadi dataran

Apa yang mengubah sabuk seperti Himalaya menjadi perbukitan rendah Bretagne? Volume sekolah menengah atas membangun sebuah model: sungai-sungai mengikis jajaran pegunungan dengan laju yang sebanding dengan elevasi rata-ratanya, $kh$, dan setiap meter yang tersingkir dari puncak sebagian dikembalikan oleh pantulan isostatik, sehingga hanya fraksi $f = (\rho_m - \rho_c)/\rho_m$ darinya yang hilang sebagai ketinggian. Elevasi rata-rata lalu meluruh sebagai

dengan tetapan waktu $\tau = 1/(kf)$. Di cekungan-cekungan besar lintang tengah, laju denudasi sebanding dengan relief rata-rata, dan tanpa pengangkatan relief akan turun menjadi sepersepuluh nilainya dalam sekitar 11 juta tahun: $k = \ln 10/11 \approx 0.21$ per juta tahun. Dengan massa jenis 2700 dan $3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, $f = 0.18$ dan $\tau \approx 26\,\mathrm{Ma}$: jajaran pegunungan setinggi $3\,\mathrm{km}$ masih setinggi $1\,\mathrm{km}$ sekitar 30 juta tahun kemudian, dan turun di bawah $300\,\mathrm{m}$ setelah sekitar 60 juta tahun.

Pantulan yang sama menjelaskan mengapa sabuk tua menyingkapkan akarnya. Untuk mengembalikan kerak yang menebal dari $H$ ke $T$ ke muka laut, seluruh tebal tambahan $T - H$ harus tererosi, sedangkan elevasi rata-ratanya hanya $(T - H)f$: sekitar 5.5 kali lebih banyak batuan yang tersingkir daripada tinggi jajaran pegunungan itu. Batuan yang semula sedalam 20 atau $30\,\mathrm{km}$ di akar muncul ke permukaan: migmatit, granit, dan gneis berderajat tinggi masif-masif tua, seperti yang di Masif Sentral.

Jajaran Variscan, yang tumbukan-tumbukan terakhirnya berakhir sekitar 290 juta tahun yang lalu, telah diratakan menjadi peneplain selama Perm dan Trias: dalam sekitar 60 juta tahun yang diberikan model itu. Keruntuhan dapat mempercepatnya: ekstensi kerak yang menebal, seperti di Tibet kini, menipiskannya secara langsung, tanpa menunggu sungai-sungai. Dan di Siccar Point, kerikil Devon Akhir bertumpu di atas lapisan Silur yang terlipat dalam tumbukan-tumbukan Kaledonia, pada permukaan daratan lama yang masih menyimpan sedikit relief di antara lapisan keras dan lapisan lunak.

Di lapangan — Membaca ketidakselarasan sudut

Ahli geologi yang mempelajari ketidakselarasan sudut seperti Siccar Point mulai dengan mengukur kedudukan lapisan di bawah dan di atas permukaan itu, jurus dan kemiringan, di banyak tempat. Mereka mencari arah atas lapisan-lapisan bawah, melalui perlapisan bersusun atau melalui jejak di dasar lapisan, karena lapisan yang terlipat dapat terbalik. Mereka memeriksa permukaan itu sendiri: reliefnya, pelapukan di bawahnya, kerakal batuan yang lebih tua dalam konglomerat di atasnya. Lalu mereka menentukan umur: fosil termuda di bawah memberikan umur yang sebelumnya pelipatan tidak mungkin terjadi, fosil tertua di atas memberikan umur yang sebelumnya pelipatan telah terjadi dan daratan telah terkikis. Celah di antara keduanya mengapit orogenesis itu. Di Siccar Point, lapisan bawah berumur Silur awal dan lapisan atas Devon Akhir, dan pelipatan, pengangkatan, dan erosi Kaledonia cocok di antaranya; kemiringan landai lapisan atas lebih muda lagi, Variscan.

Latihan

Data untuk latihan: $g = 9.8\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}$; massa jenis kerak dan mantel $2700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ dan $3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$; kerak normal $H = 35\,\mathrm{km}$; umur dasar Silur, Devon, dan Karbon 443.1, 419.6, dan $358.9\,\mathrm{Ma}$, umur dasar Trias $251.9\,\mathrm{Ma}$.

Latihan 15.1 ★

Tepi-tepi Iapetus terbelah sekitar $600\,\mathrm{Ma}$; tumbukan Kaledonia utama, yaitu tumbukan Skandia, berakhir sekitar $400\,\mathrm{Ma}$; tumbukan busur–benua pertama dengan Laurentia dimulai sekitar $480\,\mathrm{Ma}$. (a) Berapa lama seluruh siklus Iapetus berlangsung? (b) Berapa lama tumbukan-tumbukan itu berlangsung? (c) Mengapa “Kaledonia” tidak boleh dipakai untuk menyatakan suatu zaman?

Solusi

Solusi Latihan 15.1.

(a) $600 - 400 = 200\,\mathrm{Ma}$, dari pembentukan celah di tepi-tepinya sampai tumbukan terakhir. (b) $480 - 400 = 80\,\mathrm{Ma}$. (c) Orogenesis Kaledonia adalah serangkaian fase yang tersebar sepanjang sekitar 200 juta tahun, dan setiap fase dimulai pada waktu yang berbeda di tempat yang berbeda: kata itu menunjuk sebuah samudra dan sabuknya, bukan suatu saat. Umur diberikan oleh skala stratigrafi atau dalam juta tahun.

Latihan 15.2 ★

Susunlah situasi-situasi ini menurut urutan siklus Wilson dan namailah tahap masing-masing: (a) Laut Merah, samudra sempit di antara tepi-tepi celah yang muda; (b) Himalaya; (c) celah Afrika Timur; (d) Samudra Atlantik, yang luas, dengan tepi pasif di kedua sisinya; (e) tepi Pasifik Amerika Selatan; (f) perbukitan rendah Bretagne di atas batuan dasar granit dan gneis yang tua.

Solusi

Solusi Latihan 15.2.

(c) celah Afrika Timur, pembentukan celah; (a) Laut Merah, samudra muda; (d) Atlantik, samudra luas dengan tepi pasif; (e) tepi Pasifik Amerika Selatan, subduksi dan penutupan samudra; (b) Himalaya, tumbukan; (f) Bretagne, sabuk yang telah terkikis rata, yang setelahnya pembentukan celah dapat dimulai lagi.

Latihan 15.3 ★

Di Siccar Point, lapisan Silur awal terletak di bawah lapisan Devon Akhir. (a) Di antara batas-batas mana, yang diberikan oleh data di atas, pelipatan, pengangkatan, dan erosi itu pasti terjadi? (b) Berapa waktu terpanjang yang mungkin diperlukan proses-proses itu? (c) Sebutkan berurutan peristiwa-peristiwa yang direkam tebing itu.

Solusi

Solusi Latihan 15.3.

(a) Setelah pengendapan lapisan Silur awal, jadi setelah $443.1\,\mathrm{Ma}$, dan sebelum pengendapan lapisan Devon Akhir, jadi sebelum $358.9\,\mathrm{Ma}$, akhir Devon. (b) Kurang dari $443.1 - 358.9 = 84.2\,\mathrm{Ma}$; sebenarnya lebih singkat lagi, karena lapisan bawah lebih muda daripada dasar Silur dan lapisan atas lebih tua daripada puncak Devon. (c) Pengendapan turbidit kelabu di samudra; pelipatan dan belahan dalam tumbukan-tumbukan Kaledonia; pengangkatan dan erosi menjadi permukaan daratan yang tidak rata; pengendapan breksi dan konglomerat merah; pemiringan landai dalam orogenesis Variscan; erosi masa kini, yang memotong tebing itu.

Latihan 15.4 ★

Tentukan apakah masing-masing berikut adalah terrane, mikrobenua, keduanya, atau bukan keduanya, dan mengapa: (a) Avalonia; (b) Laurentia; (c) busur kepulauan yang teraduk ke sebuah benua; (d) sutura Iapetus.

Solusi

Solusi Latihan 15.4.

(a) Keduanya: sebuah blok kerak benua yang terpisah dari benua-benua oleh samudra selagi menyeberangi Iapetus, dan, setelah teraduk, sebuah blok berbatas sesar yang sejarahnya berbeda dari sejarah blok-blok tetangganya. (b) Bukan keduanya: sebuah benua, bukan blok yang ditambahkan ke benua. (c) Terrane, bukan mikrobenua: keraknya adalah kerak busur, bukan pecahan benua. (d) Bukan keduanya: sutura itu adalah batas antara terrane-terrane, jejak samudra yang telah menutup.

Latihan 15.5 ★★

Ambillah titik tengah selang superbenua Ur (3000), Kenorland (2600), Nuna (1500), Rodinia (875), Pannotia (600), dan Pangea (262.5), dalam juta tahun yang lalu. (a) Hitunglah kelima jaraknya dan rata-ratanya. (b) Berapa rasio jarak terbesar terhadap jarak terkecil? (c) Abaikan Kenorland dan Ur, yang diragukan: berapa jarak rata-rata keempat superbenua lainnya? Apakah “setengah miliar tahun” merupakan suatu periode?

Solusi

Solusi Latihan 15.5.

(a) $3000 - 2600 = 400$, $2600 - 1500 = 1100$, $1500 - 875 = 625$, $875 - 600 = 275$, $600 - 262.5 = 337.5$; rata-rata $2737.5/5 = 547.5\,\mathrm{Ma}$. (b) $1100/275 = 4.0$. (c) $(1500 - 262.5)/3 = 412.5\,\mathrm{Ma}$. Rata-ratanya bergeser seperempat bila titik-titik yang diragukan dibuang, dan jarak-jaraknya bervariasi empat kali lipat: suatu perulangan kasar, bukan periode.

Latihan 15.6 ★★

Sebuah samudra selebar $3000\,\mathrm{km}$ mulai tersubduksi di salah satu tepinya dengan laju $70\,\mathrm{mm}$ per tahun, sementara punggungannya memekar dengan laju $25\,\mathrm{mm}$ per tahun. (a) Berapa lama samudra itu menutup? (b) Berapa lama jika pemekaran langsung berhenti? (c) Gerakan lempeng mana yang menentukan laju penutupan setelah punggungan tersubduksi?

Solusi

Solusi Latihan 15.6.

(a) $3000/(70 - 25) = 66.7\,\mathrm{Ma}$. (b) $3000/70 = 42.9\,\mathrm{Ma}$. (c) Setelah punggungan tersubduksi, dasar samudra yang tersisa adalah bagian lempeng jauh, yang membawa benua jauh: laju penutupan adalah kecepatan lempeng itu relatif terhadap parit.

Latihan 15.7 ★★

Andaikan pelelehan kerak dimulai pada sekitar $700\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan permukaan bersuhu $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (a) Pada kedalaman berapa suhu itu tercapai di sepanjang gradien $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer? Gradien $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer? (b) Sabuk mana, Alpen atau sabuk Variscan, yang seharusnya menyingkapkan migmatit dan granit asal kerak? (c) Mengapa gradien yang tetap melebih-lebihkan kedalaman pada kasus pertama?

Solusi

Solusi Latihan 15.7.

(a) $700/8 = 87.5\,\mathrm{km}$; $700/30 = 23.3\,\mathrm{km}$. (b) Sabuk Variscan: pada $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer kerak tengah meleleh; pada $8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ per kilometer suhu pelelehan terletak di bawah dasar kerak, bahkan kerak yang menebal. (c) Gradien rendah itu menggambarkan batuan yang terbawa turun dengan cepat di zona subduksi, sebelum sempat memanas. Batuan yang tetap berada di kedalaman dalam kerak yang menebal menghangat menuju geoterm normal selama jutaan tahun, sehingga dapat mencapai pelelehan pada kedalaman yang lebih kecil.

Latihan 15.8 ★★

Tumbukan-tumbukan Variscan berakhir sekitar $290\,\mathrm{Ma}$; peneplain telah terbentuk pada Perm dan Trias. Gunakan model peluruhan bab ini, $\tau = 26.3\,\mathrm{Ma}$. (a) Berapa lama yang diperlukan jajaran pegunungan untuk turun dari elevasi rata-rata $3\,\mathrm{km}$ sampai $0.3\,\mathrm{km}$? (b) Pada umur berapa hal itu terjadi? (c) Tetapan waktu berapa yang akan membawanya ke sana pada dasar Trias? (d) Proses apa yang dapat memperpendek waktunya?

Solusi

Solusi Latihan 15.8.

(a) $\tau\ln(3/0.3) = 26.3\times2.303 = 60.6\,\mathrm{Ma}$. (b) $290 - 60.6 = 229\,\mathrm{Ma}$, pada Trias Akhir. (c) $\tau = (290 - 251.9)/\ln10 = 16.5\,\mathrm{Ma}$. (d) Keruntuhan ekstensional kerak yang menebal, yang menipiskannya dan menurunkan permukaannya secara langsung; juga laju erosi yang lebih tinggi, iklim yang lebih basah atau batuan yang lebih lunak, atau elevasi awal yang lebih rendah.

Latihan 15.9 ★★

(a) Jelaskan mengapa sutura Iapetus di Inggris utara dan Irlandia tengah, serta kerak Laurentia di dekat Rockall, menunjukkan bahwa Atlantik tidak membuka kembali tepat di sepanjang sutura lama itu. (b) Apa yang akan diharapkan seorang ahli geologi di batuan dasar lama di kedua sisi sutura di Irlandia? (c) Appalachia terdeformasi sampai Perm Awal; pembentukan celah dimulai sekitar 80 juta tahun setelah orogenesis itu. Bandingkan dengan 30 sampai 50 juta tahun yang setelahnya zona yang telah mendingin mungkin terlalu kuat untuk teraktifkan kembali.

Solusi

Solusi Latihan 15.9.

(a) Sutura, jejak Iapetus, terletak di daratan Inggris dan Irlandia, di timur Atlantik; kerak Laurentia, dari sisi seberang Iapetus, terletak di dekat Rockall di sisi Eropa. Celah baru itu memotong di barat sutura lama: ia membuka di dekatnya, bukan di sepanjangnya. (b) Di utara sutura, batuan dasar dan penutup tepi Laurentia; di selatannya, batuan dasar dan penutup Avalonia, dengan sejarah yang berbeda dan, pada Paleozoikum awal, fauna yang berbeda. (c) Pembentukan celah datang setelah 80 juta tahun, lebih dari 30 sampai 50 juta tahun yang setelahnya zona yang telah mendingin mungkin telah menjadi kuat; namun Atlantik Tengah memang mengikuti Appalachia. Panas suatu sabuk memudar; sesar-sesarnya, fabriknya, dan komposisinya tetap ada dan masih dapat memandu sebuah celah.

Latihan 15.10 ★★★

Sebuah samudra selebar $3000\,\mathrm{km}$ memiliki punggungan di tengahnya, $1500\,\mathrm{km}$ dari parit yang menghabiskan lempeng di sisinya dengan laju $70\,\mathrm{mm}$ per tahun; punggungan memekar dengan laju $40\,\mathrm{mm}$ per tahun, secara simetris. (a) Seberapa cepat punggungan mendekati parit? (b) Kapan punggungan mencapainya? (c) Berapa lebar samudra saat itu? (d) Apa yang terjadi pada busur vulkanik ketika sebuah punggungan tersubduksi?

Solusi

Solusi Latihan 15.10.

(a) $70 - 40/2 = 50\,\mathrm{mm}$ per tahun. (b) $1500\,\mathrm{km}/50\,\mathrm{km}\,\mathrm{Ma}^{-1} = 30\,\mathrm{Ma}$. (c) Samudra menyempit dengan laju $70 - 40 = 30\,\mathrm{mm}$ per tahun: $3000 - 30\times30 = 2100\,\mathrm{km}$. (d) Litosfer muda yang panas lalu tiba di parit, dan tidak ada lagi slab tua yang dingin yang melepaskan air di bawah busur: magmatisme busur berubah atau berhenti.

Latihan 15.11 ★★★

Sebuah tumbukan menebalkan kerak dari $35\,\mathrm{km}$ menjadi $60\,\mathrm{km}$, terkompensasi menurut cara Airy. (a) Berapa elevasi rata-ratanya, menurut Proposisi 14.4? (b) Berapa banyak batuan yang harus disingkirkan erosi untuk mengembalikan permukaan ke muka laut dengan kerak bertebal normal? (c) Berapa tekanan litostatik pada batuan yang berakhir di permukaan? (d) Dalam fasies metamorfik mana batuan itu dapat terekristalisasi?

Solusi

Solusi Latihan 15.11.

(a) $h = \Delta T(\rho_m - \rho_c)/\rho_m = 25\times600/3300 = 4.5\,\mathrm{km}$. (b) Seluruh tebal tambahan $25\,\mathrm{km}$, 5.5 kali tinggi jajaran pegunungan itu. (c) $2700\times9.8\times25\,000 = 6.6 \times 10^{8}\,\mathrm{Pa}$, sekitar $0.66\,\mathrm{GPa}$. (d) Pada sekitar $0.7\,\mathrm{GPa}$ dan suhu akar kerak yang menebal, beberapa ratus derajat, fasies amfibolit atau fasies granulit: gneis dan migmatit masif-masif tua.

Latihan 15.12 ★★★

Setelah dua benua bertemu, konvergensi berlanjut dengan laju $30\,\mathrm{mm}$ per tahun selama $10\,\mathrm{Ma}$. Pemendekannya diserap di sepanjang sabuk yang akhirnya selebar $300\,\mathrm{km}$, dalam kerak yang semula setebal $35\,\mathrm{km}$. (a) Dengan Proposisi 14.8, tentukan tebal keraknya. (b) Tentukan elevasi dan akar Airy-nya. (c) Dengan Proposisi 14.5, hitunglah energi potensial lebihnya dan bandingkan dengan energi potensial lebih Tibet, $6.1 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$. (d) Apa yang seharusnya menyusul?

Solusi

Solusi Latihan 15.12.

(a) $S = 30\times10 = 300\,\mathrm{km}$; $W_0 = 300 + 300 = 600\,\mathrm{km}$; $T = 35\times600/300 = 70\,\mathrm{km}$. (b) $h = 35\times600/3300 = 6.36\,\mathrm{km}$; $r = 4.5h = 28.6\,\mathrm{km}$. (c) $\Delta F = 2700\times9.8\times6364\times(35\,000 + 3182 + 14\,318) = 8.8 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$, 1.4 kali energi Tibet. (d) Sabuk seperti itu lebih berat daripada Tibet, yang sudah menyebar: keruntuhan gravitasi, melalui ekstensi di wilayah-wilayah tingginya dan sesar naik di tepi-tepinya.

Soal 15.1

Soal akhir pekan — Iapetus dari lahir sampai mati

Sebuah samudra model bertipe Iapetus membuka di antara dua benua, L di barat laut dan B di tenggara. Pembentukan celah dimulai pada $610\,\mathrm{Ma}$; pemekaran dasar laut pada $580\,\mathrm{Ma}$. Kecuali dinyatakan lain, $g = 9.8\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}$, $\rho_c = 2700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, $\rho_m = 3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, dan kerak normal setebal $H = 35\,\mathrm{km}$. Pemekarannya simetris dan lajunya tetap.

Bagian I — Pembukaan.

1. Pada $500\,\mathrm{Ma}$, dasar samudra yang terbentuk pada $540\,\mathrm{Ma}$ terletak $720\,\mathrm{km}$ dari sumbu punggungan. Hitunglah laju pemekaran setengah dalam milimeter per tahun.
2. Turunkan laju pemekaran penuhnya. Termasuk kelas punggungan mana, di antara punggungan lambat, cepat, dan ultralambat?
3. Berapa lebar samudra itu pada $540\,\mathrm{Ma}$?
4. Berapa lebarnya pada $500\,\mathrm{Ma}$?
5. Apa yang diandaikan model itu untuk memperoleh lebar-lebar ini?
6. Berapa umur dasar samudra tertua pada $500\,\mathrm{Ma}$, dan di mana letaknya? Mengapa tempat itu merupakan tempat yang mungkin untuk dimulainya subduksi?

Bagian II — Penutupan. Pada $500\,\mathrm{Ma}$, zona subduksi dimulai di sepanjang tepi L dan menghabiskan dasar samudra dengan laju $64\,\mathrm{mm}$ per tahun relatif terhadap L; punggungan terus memekar.

7. Dengan laju berapa samudra itu menyempit?
8. Jika punggungan memekar sampai akhir, kapan samudra itu akan menutup?
9. Punggungan bermula di tengah samudra. Kapan punggungan mencapai parit?
10. Berapa lebar samudra saat itu?
11. Setelah punggungan menunjam, pemekaran berhenti dan B mendekati L dengan laju $40\,\mathrm{mm}$ per tahun. Kapan samudra itu menutup?
12. Bandingkan dengan umur fase Skandia, 425 sampai $400\,\mathrm{Ma}$.

Bagian III — Tumbukan. Setelah tumbukan, konvergensi berlanjut dengan laju $40\,\mathrm{mm}$ per tahun selama $8\,\mathrm{Ma}$; pemendekannya diserap di sepanjang sabuk yang akhirnya selebar $400\,\mathrm{km}$.

13. Berapa pemendekan itu?
14. Dengan Proposisi 14.8, tentukan tebal kerak.
15. Dengan Proposisi 14.4, tentukan elevasi rata-rata Airy dan akarnya.
16. Hitunglah energi potensial lebihnya dan bandingkan dengan energi potensial lebih Tibet, $6.1 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$.
17. Apa yang kamu perkirakan akan dilakukan sabuk itu selanjutnya?

Bagian IV — Pengikisan. Pada $410\,\mathrm{Ma}$, keruntuhan telah menurunkan elevasi rata-rata menjadi $3.0\,\mathrm{km}$. Erosi lalu mengikuti model bab ini, dengan $k = \ln 10/11$ per juta tahun dan pantulan.

18. Hitunglah $f$ dan tetapan waktu $\tau$.
19. Berapa elevasi rata-rata pada $380\,\mathrm{Ma}$?
20. Kapan elevasi rata-rata turun di bawah $500\,\mathrm{m}$?
21. Berapa banyak kerak tambahan yang tersingkir selagi elevasi turun dari $3.0\,\mathrm{km}$ sampai $0.5\,\mathrm{km}$?
22. Tekanan litostatik berapa yang dialami di akar oleh batuan yang lalu tersingkap?
23. Sedimen Devon Akhir bertumpu di atas sabuk yang tererosi di Siccar Point. Apakah penjadwalan model itu konsisten dengan hal itu, mengingat dasar Karbon pada $358.9\,\mathrm{Ma}$?
24. Sebagai ringkasan: berapa lebar terbesar yang dicapai samudra model itu, dalam kilometer?

Solusi

Solusi Soal 15.1.

1. $720/(540 - 500) = 18\,\mathrm{km}$ per juta tahun, $18\,\mathrm{mm}$ per tahun. 2. $36\,\mathrm{mm}$ per tahun: punggungan berpemekaran lambat (20 sampai $55\,\mathrm{mm}$ per tahun). 3. $36\times(580 - 540) = 1440\,\mathrm{km}$. 4. $36\times(580 - 500) = 2880\,\mathrm{km}$. 5. Pemekaran simetris dengan laju tetap dari lebar nol pada $580\,\mathrm{Ma}$, dan tidak ada subduksi sebelum $500\,\mathrm{Ma}$. 6. $80\,\mathrm{Ma}$, di kedua tepi samudra, bersebelahan dengan tepi-tepi benua. Itulah litosfer samudra yang paling dingin, paling tebal, dan paling padat di samudra itu, yang paling siap tenggelam. 7. $64 - 36 = 28\,\mathrm{mm}$ per tahun. 8. $2880/28 = 102.9\,\mathrm{Ma}$ setelah $500\,\mathrm{Ma}$: pada $397.1\,\mathrm{Ma}$. 9. Punggungan, yang berjarak $1440\,\mathrm{km}$ dari parit, mendekatinya dengan laju $64 - 18 = 46\,\mathrm{mm}$ per tahun: setelah $1440/46 = 31.3\,\mathrm{Ma}$, pada $468.7\,\mathrm{Ma}$. 10. $2880 - 28\times31.3 = 2004\,\mathrm{km}$. 11. $2004/40 = 50.1\,\mathrm{Ma}$ kemudian: pada $468.7 - 50.1 = 418.6\,\mathrm{Ma}$. 12. Di dalam rentang 425 sampai $400\,\mathrm{Ma}$ tumbukan Skandia. 13. $40\times8 = 320\,\mathrm{km}$. 14. $W_0 = 400 + 320 = 720\,\mathrm{km}$; $T = 35\times720/400 = 63.0\,\mathrm{km}$. 15. $h = 28\times600/3300 = 5.09\,\mathrm{km}$; $r = 4.5\times5.09 = 22.9\,\mathrm{km}$. 16. $\Delta F = 2700\times9.8\times5091\times(35\,000 + 2545 + 11\,455) = 6.60 \times 10^{12}\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}^{-1}$, sekitar $8\,\%$ lebih besar daripada energi Tibet. 17. Berhenti naik dan menyebar: ekstensi dan sesar normal di bagian dalamnya yang tinggi, sesar naik di tepi-tepinya, seperti yang dilakukan Tibet kini. 18. $f = 600/3300 = 0.182$; $k = 2.303/11 = 0.209$ per juta tahun; $\tau = 1/(kf) = 26.3\,\mathrm{Ma}$. 19. $3.0\,e^{-30/26.3} = 0.96\,\mathrm{km}$. 20. $26.3\ln(3.0/0.5) = 47.1\,\mathrm{Ma}$ setelah $410\,\mathrm{Ma}$: pada $362.9\,\mathrm{Ma}$. 21. Kerak tambahan adalah $h/f$: $3.0/0.182 = 16.5\,\mathrm{km}$ turun menjadi $0.5/0.182 = 2.75\,\mathrm{km}$, sehingga $13.75\,\mathrm{km}$ batuan tersingkir. 22. $2700\times9.8\times13\,750 = 3.6 \times 10^{8}\,\mathrm{Pa}$, sekitar $0.36\,\mathrm{GPa}$. 23. Ya: pada Devon Akhir elevasi rata-rata sabuk model itu tinggal sekitar $1\,\mathrm{km}$ dan masih turun, dengan relief yang tersisa di antara lembah dan punggung bukitnya; kerikil merah dapat terkumpul di bagian-bagian rendahnya jauh sebelum $358.9\,\mathrm{Ma}$, seperti di Siccar Point, tempat kerikil itu bertumpu di atas permukaan yang berelief. 24. $2880\,\mathrm{km}$, pada $500\,\mathrm{Ma}$, ketika subduksi dimulai.