Astenosfäär

Astenosfäär on Maa vahevöö ülemises osas vahetult litosfääri all paiknev viskoossne, mehaaniliselt nõrk ja plastiliselt käituv^[1] kiht. Astenosfäär on üks tähtsamaid magmaliste protsesside allikaid Maal. Talle kuulub ka juhtiv roll litosfäärilaamade liikumises.

Maa sisemuses eristatakse koostise ja keemiliste omaduste järgi kolme põhilist geosfääri: maakoor, vahevöö ja tuum. Maa ülemiste kõvade kestade jaotus maakooreks ja vahevööks tugineb nende keemiliste, mineraloogiliste ja petroloogiliste omaduste iseärasustel. Kuid reoloogiliste, see tähendab füüsikaliste omaduste alusel, jaotatakse Maa ülemine osa kolmeks kihiks: litosfääriks, astenosfääriks ja mesosfääriks.^[2]

Vahel ühendatakse litosfäär ja astenosfäär ühe mõiste – tektonosfääri – alla, millega peetakse silmas, et need kaks kihti on omavahel tihedalt seotud ning moodustavad piirkonna, kus avalduvad tektoonilised ja magmalised protsessid.^[2]

Ameerika geoloog Joseph Barrell esitas 1914. aastal hüpoteesi, et isostaasia tagamiseks peab suhteliselt tugeva, peamiselt maakoorelise "litosfääri" all paiknema väiksema viskoossusega kiht, mida ta nimetas "astenosfääriks".^[3] Sellise kihi olemasolu tõestati 1960. aastatel seismiliste lainete levikiiruste vähenemise alusel selles kihis.^[4][5]

Barrelli ideid arendas edasi Harvardi Ülikooli geoloogiaprofessor Reginald Aldworth Daly^[3], kes 1940. aastal võttis kasutusele mõiste "mesosfäär" ja esitas sfääride asukoha kohta hüpoteetilised arvnäitajad. Nende järgi asunuks litosfääri ja astenosfääri vaheline piir 80–100 kilomeetri sügavusel ja astenosfääri kihi paksuseks arvas Daly olevat vahemikus 120–400 kilomeetrit.^[6]

Astenosfäär erineb litosfäärist umbes kahe suurusjärgu võrra väiksema viskoossusega (10²¹ puaasi) ja voolavuse võimega. Sellised astenosfääri omadused on seotud sellega, et osa tema ainest on sulanud olekus, mille osakaal ulatub ookeani keskahelike all 1–5%-ni. Sulaoleku osakaal kontinentide all ei ületa enamasti 1–2%, kuid väga vanade kontinentide all võib hoopis puududa. Astenosfääri sulaolek põhjustab magmakollete tekke, milles moodustub basaltmagma.^[2]

Astenosfäär on üldiselt tahke^[7] kivimiline keskkond^[8], kuid kuna väikeses ulatuses on ta siiski ülessulanud olekus, siis on ta võimeline aeglaselt voolama. Astenosfääri voolamise kohta on geofüüsik Jüri Plado tabavalt öelnud: "tinglikult võib astenosfääri vaadelda voolavana miljonitesse aastatesse ulatuvas ajaskaalas"^[7]. Laamtektoonika teooria kohaselt astenosfääriga võrreldes väiksema tihedusega jäigad litosfääriplokid "libisevad" aeglaselt voolaval astenosfääril, mis toimib määrdena^[9]. Arvatakse, et litosfääri liikumised on tingitud astenosfäärilises vahevöös toimuvatest konvektsioonivoogudest^[2].

Isostaasia teooria kohaselt on litosfäär ja astenosfäär gravitatsioonilises tasakaalus. Kui isostaatiline tasakaal on häiritud, jaotub astenosfääri aines ümber, see tähendab toimub isostaatiline korrektsioon, millega kaasnevad maakoore aeglased vertikaalsed liikumised.^[1]

Litosfääri ja astenosfääri vahelist piiri määratakse peamiselt seismiliste meetoditega: sügavuse suurenedes seismiliste lainete levikiiruste kasvu peatumise või kiiruste vähenemisega.^[2] Teine meetod, mille abil astenosfääri olemasolu määratakse, on magnettelluuriline sondeerimine. Sellega mõõdetakse elektrijuhtivust ja üleminekul litosfäärist astenosfääri see näitaja suureneb.^[10]

Litosfääri-astenosfääri piir vastab isotermile umbes 1200–1300 °C.^[2]

Astenosfääri ülapiiri kohta on kirjanduses erinevaid andmeid. Sageli jäävad esitatud arvud järgmistesse piiridesse – ookeanide all 50–60 ja mandrite all 100–200 kilomeetri sügavusel (näiteks vastavalt 50 ja 200^[8]; 50–60 ja 100–120^[9]).

Seismilise sondeerimise aparatuuri arenguga on uuemad mõõtmised näidanud, et astenosfääri ülapiiri kõikumise amplituud on oluliselt suurem. Ookeani keskahelike teljetsoonides, eriti Vaikse ookeani Idakerkel, asub astenosfääri ülapiir kõigest 3–4 kilomeetri sügavusel; see tähendab, et litosfäär piirdub vaid ookeanilise maakoore ülemise osaga. Ookeani äärealade suunas litosfääri paksus kasvab ja võib küündida 80–100 kilomeetrini. See oleks ühtlasi ka astenosfääri ülemine piir. Mandrite keskosas, eriti vanade platvormide kilpide all ulatub litosfääri paksus 150–200 või rohkem (Lõuna-Aafrikas 350 kilomeetrini); Lõuna-California Ülikooli geoteaduste professor Thomas Jordani andmeil 400 kilomeetrini.^[10]

Astenosfääri kindlaksmääramise raskused sügavamal kui 150–200 kilomeetrit on viinud osa uurijaid mõttele, et mõningate piirkondade all astenosfäär puudub ja selle põhjal jõutud alternatiivse ettekujutuseni, et astenosfääri kui pidevat kesta (kui geosfääri) ei eksisteerigi; selle asemel arvatakse olevat hulk eraldiasuvaid "astenoläätsi". Venemaa geoloog Viktor Hain kummutab selle idee väitega, et mõningad piirkonnad nõrgalt väljendunud astenosfääriga (näiteks Balti kilp) demonstreerivad üliedukalt isostaatilist tasakaalu.^[10]

Astenosfääri alumise piiri kohta on vähem selgust; järelikult ka kihi paksuse kohta. Astenosfääri paksus Haini andmeil ei ületa ookeanide all 50–60 kilomeetrit, seevastu mandrite all võib küündida 100–200 kilomeetrini ja kraatonite kilpide all võib astenosfäär hõlmata koguni üla- ja süvavahevöö vahelise üleminekukihi ��laosa.^[2] Mõnedes kohtades võib astenosfääri alumine piir ulatuda 700 kilomeetri sügavusele^[11].