چگونه شمال شرقی آمریکای شمالی شکل گرفت؟
تاریخ انتشار:
معرفی
وقتی موریس لانگ در مورد کارش با عموم صحبت می‌کند، دوست دارد از مخاطبانش بخواهد چشمان خود را ببندند و به منظره‌ای با زمین‌شناسی شگفت‌انگیز فکر کنند. او پیشنهادات زیادی می‌شنود: ایسلند، گرند کنیون، هیمالیا. "هیچ‌کس هرگز از کنتیکت نام نمی‌برد،" لانگ، زمین‌شناس دانشگاه ییل در نیوهاون این ایالت، می‌گوید.
و با این حال، کنتیکت—به همراه بخش بزرگی از شمال شرقی آمریکای شمالی—سرنخ‌های مهمی درباره تاریخ زمین را در خود دارد. این منطقه که زمین‌شناسان آن را حاشیه شمال شرقی آمریکای شمالی می‌نامند، اساساً سواحل شرقی ایالات متحده و کمی شمال‌تر به سمت کانادا آتلانتیک را در بر می‌گیرد. این منطقه در طی صدها میلیون سال به وجود آمده است، زمانی که تکه‌های پوسته زمین به هم برخورد کرده و ادغام شدند. کوه‌ها شکل گرفتند، آتشفشان‌ها فوران کردند و اقیانوس اطلس متولد شد.
تاریخ زمین‌شناسی
بخش عمده‌ای از این تاریخ زمین‌شناسی تنها در دهه گذشته مشخص شده است، پس از اینکه دانشمندان ایالات متحده را با زلزله‌نگارها و دیگر ابزارها پوشش دادند تا ساختارهای زمین‌شناسی پنهان در عمق پوسته زمین را روشن کنند. یافته‌های به دست آمده شامل بسیاری از شگفتی‌ها است—از اینکه چرا در ویرجینیا آتشفشان وجود دارد تا اینکه پوسته زیر نیو انگلند به طرز عجیبی چروکیده است.
این کار می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا لبه‌های قاره‌ها در دیگر نقاط جهان را بهتر درک کنند؛ بسیاری می‌گویند که شمال شرقی آمریکای شمالی نوعی آزمایشگاه طبیعی برای مطالعه مناطق مشابه است. و این مهم است. "داستانی که درباره تاریخ زمین و این مجموعه از فرآیندهای زمین می‌گوید ... [واقعاً] بنیادی است برای اینکه سیستم زمین چگونه کار می‌کند،" لانگ می‌گوید، که نگاهی عمیق به زمین‌شناسی شمال شرقی آمریکای شمالی برای سالنامه 2024 علوم زمین و سیارات نوشته است.
تولد از برخورد قاره‌ها
اکنون، بخش عمده‌ای از آمریکای شمالی امروز از چندین قسمت مختلف تشکیل شده است. در غرب، رشته‌کوه‌های جوان و قدرتمندی مانند سیرا نوادا و راکی وجود دارد. در وسط، قلب باستانی قاره، قدیمی‌ترین و پایدارترین سنگ‌ها قرار دارد. و در شرق، نوار ساحلی طولانی حاشیه شمال شرقی آمریکای شمالی وجود دارد. هر یک از این بخش‌ها تاریخ زمین‌شناسی خاص خود را دارند، اما داستان بخش شرقی به تازگی مورد توجه بیشتری قرار گرفته است.
برای دهه‌ها، زمین‌شناسان تصویر کلی از چگونگی شکل‌گیری شمال شرقی آمریکای شمالی را درک کرده‌اند. این داستان با تکتونیک صفحه‌ای آغاز می‌شود، فرآیندی که در آن قطعات پوسته زمین در طول زمان جابجا می‌شوند، تحت تأثیر حرکات چرخشی در زیر لایه‌های زمین. تکتونیک صفحه‌ای یک ابرقاره باستانی به نام رودینیا را ایجاد کرده و سپس آن را از هم جدا کرد. حدود 550 میلیون سال پیش، یک تکه از رودینیا به سمت جنوب خط استوا جابجا شد، جایی که به مدت ده‌ها میلیون سال به آرامی در آنجا قرار داشت. آن تکه، قلب آنچه امروز به عنوان شمال شرقی آمریکای شمالی می‌شناسیم، است.
سپس، حدود 500 میلیون سال پیش، نیروهای تکتونیکی شروع به جابجایی تکه‌های دیگر سرزمین‌ها به سمت شمال شرقی آینده آمریکای شمالی کردند. این تکه‌های قاره‌ای مانند قطعاتی در یک خط تولید، یکی پس از دیگری به آن برخورد کردند. این تکه‌ها به هم چسبیدند و حاشیه قاره‌ای را تشکیل دادند.
در طی این فرآیند، با برخوردهای قاره‌ای بیشتر و بیشتر که شمال شرقی آمریکای شمالی را چروکیده و تکه‌های انباشته شده‌اش را به آسمان پرتاب کرد، کوه‌های آپالاچی متولد شدند. در غرب، حاشیه شمال شرقی آمریکای شمالی با سنگ‌های باستانی که امروز قلب قاره را تشکیل می‌دهند، ادغام شده است، غرب آپالاچی و از طریق میانه‌غرب و به دشت‌های بزرگ.
حدود 270 میلیون سال پیش، این عمل به پایان رسید و تمام سرزمین‌های جهان به یک ابرقاره دوم، پانگه‌آ، ادغام شدند. سپس، حدود 200 میلیون سال پیش، پانگه‌آ شروع به شکستن کرد، یک جدایی زمین‌شناسی که اقیانوس اطلس را شکل داد و شمال شرقی آمریکای شمالی به سمت موقعیت فعلی خود در کره زمین جابجا شد.
از آن زمان، فرسایش قله‌های کوه‌های آپالاچی که زمانی قدرتمند بودند را فرسوده کرده و شمال شرقی آمریکای شمالی به یک زندگی عمدتاً آرام نشسته است. این چیزی است که زمین‌شناسان آن را "حاشیه غیرفعال" می‌نامند، زیرا هرچند که این لبه یک قاره است، اما دیگر لبه یک صفحه تکتونیکی نیست: آن هزاران مایل دورتر در شرق، در وسط اقیانوس اطلس قرار دارد.
حاشیه غیرفعال و فعالیت‌های زمین‌شناسی
در بسیاری از نقاط جهان، حاشیه‌های قاره‌ای غیرفعال فقط همین هستند—غیرفعال و از نظر زمین‌شناسی نسبتاً خسته‌کننده. به حاشیه شرقی آمریکای جنوبی یا سواحل اطراف بریتانیا فکر کنید؛ اینجا مکان‌هایی نیستند که دارای آتشفشان‌های فعال، زلزله‌های بزرگ یا دیگر فعالیت‌های سیاره‌ای عمده باشند.
اما شمال شرقی آمریکای شمالی متفاوت است. اینجا آنقدر فعالیت وجود دارد که برخی زمین‌شناسان به شوخی آن را "حاشیه غیرفعال-تهاجمی" نامیده‌اند.
این فعالیت شامل کوه‌های نسبتاً بلندی است—برای برخی دلایل، کوه‌های آپالاچی حتی پس از ده‌ها تا صدها میلیون سال کاملاً فرسوده نشده‌اند—و همچنین آتشفشان‌های کوچک و زلزله‌ها. زلزله‌های اخیر در سواحل شرقی شامل لرزه 5.8 ریشتری نزدیک مینرال، ویرجینیا، در سال 2011 و یک لرزه 3.8 ریشتری در سواحل مین در ژانویه 2025 است. بنابراین فعالیت‌های زمین‌شناسی در شمال شرقی آمریکای شمالی وجود دارد. "فقط این فعالیت‌ها طبق الگوی تکتونیکی معمولی پیش نمی‌روند،" سارا مازا، پتروگراف دانشگاه اسمیت در نورث‌همپتون، ماساچوست می‌گوید.
تحلیل داده‌ها درباره پوسته زمین
در طول دهه‌ها، زمین‌شناسان تاریخ شمال شرقی آمریکای شمالی را با نقشه‌برداری از سنگ‌ها در سطح زمین ساخته‌اند. اما از حدود سال 2010، آن‌ها نگاهی بسیار بهتر و بینش‌های تازه‌ای به دست آوردند. این بعد از یک پروژه تحقیقاتی با حمایت فدرال به نام EarthScope بود که ایالات متحده قاره‌ای را با زلزله‌نگارها پوشش داد. یکی از اهداف این پروژه جمع‌آوری داده‌ها درباره چگونگی انتشار انرژی زلزله در پوسته و لایه بالایی زمین بود. مانند یک سی‌تی اسکن از سیاره، این اطلاعات ساختارهایی را که در زیر سطح قرار دارند و در غیر این صورت قابل شناسایی نیستند، روشن می‌کند.
سپس دانشمندان توانستند نگاهی حتی بهتر به زیر سطح بیندازند. لانگ و دیگر محققان شروع به قرار دادن زلزله‌نگارهای اضافی کردند و آن‌ها را در خطوط و آرایه‌های متراکم در نقاطی که می‌خواستند دید بهتری از آنچه در زیر سطح اتفاق می‌افتد، قرار دادند، از جمله جورجیا و ویرجینیای غربی. اعضای تیم در حال رانندگی در حومه برای راه‌اندازی ایستگاه‌های زلزله‌نگاری بودند و امیدوار بودند که این ایستگاه‌ها بتوانند برف و عنکبوت‌های یک یا دو سال را تحمل کنند تا کسی بتواند برگردد و داده‌ها را بازیابی کند.
این رویکرد مؤثر بود—و زمین‌فیزیک‌دانان اکنون درک بسیار بهتری از آنچه در زیر شمال شرقی آمریکای شمالی در حال وقوع است، دارند. از یک طرف، آن‌ها دریافتند که ضخامت پوسته در نقاط مختلف متفاوت است. بخش‌هایی که باقی‌مانده‌های سرزمین اصلی شمال شرقی آمریکای شمالی هستند، دارای پوسته‌ای بسیار ضخیم‌تر، حدود 45 کیلومتر هستند. پوسته زیر تکه‌های قاره‌ای که بعداً به لبه شرقی پیوسته‌اند، بسیار نازک‌تر است، بیشتر شبیه 25 تا 30 کیلومتر ضخامت. این تفاوت احتمالاً به شکل‌گیری قاره برمی‌گردد، لانگ می‌گوید.
اما چیزی حتی عجیب‌تر در حال وقوع است. تصاویر زلزله‌ای نشان می‌دهند که زیر بخش‌هایی از نیو انگلند، به نظر می‌رسد که بخشی از پوسته و لایه بالایی زمین بر روی یکدیگر لغزیده‌اند. یک مطالعه در سال 2022 به رهبری زمین‌شناس یان‌تاو لو، همکار لانگ، نشان داد که مرزی که نشان‌دهنده پایین‌ترین لایه پوسته زمین است—که اغلب به عنوان موهو (Moho) شناخته می‌شود، به افتخار زمین‌شناس کروات آندریا موهوروویچیچ—در زیر نیو انگلند جنوبی به صورت دو لایه روی هم قرار گرفته است، مانند دو پنکیک همپوشانی.
نتیجه آنقدر شگفت‌انگیز بود که در ابتدا لانگ فکر نمی‌کرد که این درست باشد. اما لو دوباره و دوباره بررسی کرد و پاسخ درست بود. "این هندسه فوق‌العاده غیرمعمول است،" لانگ می‌گوید. "من مطمئن نیستم که آن را در جای دیگری دیده‌ام."
این به‌ویژه عجیب است زیرا به نظر می‌رسد که موهو در این منطقه به مدت صدها میلیون سال توانسته است دو لایه باقی بماند، لانگ می‌گوید. چگونگی این اتفاق کمی معما است. یکی از ایده‌ها این است که سرزمین اصلی شمال شرقی آمریکای شمالی دارای پوسته‌ای بسیار قوی و ضخیم بوده است. زمانی که تکه‌های قاره‌ای ضعیف‌تر شروع به ورود و چسبیدن به آن کردند، در برخی نقاط به سمت بالا و بر روی آن فشار آوردند.
چگونگی کارکرد موهو
نیروی این برخورد می‌توانست موهو تکه‌های ورودی را به سمت بالا و بر روی سرزمین قدیمی‌تر منتقل کند و در نتیجه باعث دو لایه شدن موهو در آنجا شود، پل کارابینوس، زمین‌شناس دانشگاه ویلیامز در ویلیامزتاون، ماساچوست می‌گوید. چیزی مشابه ممکن است در تبت امروز در حال وقوع باشد، زیرا صفحه تکتونیکی که هند را حمل می‌کند به صفحه آسیا برخورد کرده و پوسته را در برابر فلات تبت چروکیده می‌کند. لانگ و همکارانش هنوز در حال بررسی این هستند که آیا پدیده موهو دو لایه در سراسر نیو انگلند گسترده است یا خیر؛ آن‌ها در حال حاضر نشانه‌های بیشتری از آن را در زیر ماساچوست شمال غربی پیدا کرده‌اند.
یک کشف شگفت‌انگیز دیگر که از بررسی‌های زلزله‌ای به دست آمد، این است که چرا آتشفشان‌های 47 میلیون ساله در مرز ویرجینیا و ویرجینیای غربی ممکن است فوران کرده باشند. این آتشفشان‌ها جدیدترین فوران‌هایی هستند که در شمال شرقی آمریکای شمالی رخ داده‌اند. آن‌ها همچنین کمی معما هستند، زیرا منبع واضحی از سنگ مذاب در حاشیه قاره‌ای غیرفعال وجود ندارد که بتواند آن‌ها را تغذیه کند.
پاسخ، دوباره، از اسکن‌های زلزله‌ای دقیق زمین به دست آمد. این اسکن‌ها نشان دادند که بخشی از پایین‌ترین لایه پوسته زمین زیر آتشفشان‌ها گم شده است: به دلایلی، پایین‌ترین لایه پوسته سنگین شده و از قسمت بالایی به سمت پایین چکیده است و یک شکاف باقی گذاشته است. "این اکنون باید پر شود،" مازا می‌گوید. سنگ‌های لایه‌مانند به طور طبیعی به این شکاف جریان پیدا کردند و در حین حرکت به سمت بالا، کاهش فشار را تجربه کردند. این تغییر در فشار باعث شد که سنگ‌های لایه‌مانند ذوب شوند—و مخزن مذابی را ایجاد کردند که فوران‌های ویرجینیا را تغذیه کرد.
این فرآیند ممکن است در دیگر حاشیه‌های قاره‌ای غیرفعال نیز در حال وقوع باشد، مازا می‌گوید. یافتن آن زیر ویرجینیا مهم است زیرا نشان می‌دهد که روش‌های بیشتری برای تغذیه آتشفشان‌ها در این مناطق وجود دارد نسبت به آنچه دانشمندان قبلاً فکر می‌کردند ممکن است: "این به این ایده‌ها می‌پردازد که شما راه‌های بیشتری برای ایجاد ذوب دارید تا فرآیند تکتونیکی استاندارد،" او می‌گوید.
لانگ و همکارانش در حال بررسی این هستند که آیا سایر بخش‌های حاشیه شمال شرقی آمریکای شمالی نیز این چکیدن پوسته را دارند یا خیر. یک سرنخ از چگونگی حرکت انرژی زلزله در لایه بالایی در سرتاسر منطقه به دست می‌آید. سنگ‌های زیر آتشفشان‌های ویرجینیا نشان‌دهنده یک کندی عجیب یا انحراف هستند، زیرا انرژی زلزله از آن‌ها عبور می‌کند. این ممکن است به چکیدن پوسته‌ای که در آنجا در حال وقوع است مربوط باشد.
بررسی‌های زلزله‌ای انحراف مشابهی را در شمال نیو انگلند نشان داده است. برای تلاش برای کشف آنچه ممکن است در این انحراف دوم در حال وقوع باشد، تیم لانگ در حال حاضر یک رشته زلزله‌نگار در ماساچوست، ورمانت و نیوهمپشایر و یک آرایه متراکم دوم در ماساچوست شرقی دارد. "شاید چیزی شبیه به آنچه در ویرجینیا اتفاق افتاد، در حال حاضر در جاهای دیگر شمال شرقی آمریکای شمالی در حال وقوع باشد،" لانگ می‌گوید. "این ممکن است یک فرآیند باشد، نه فقط چیزی که یک بار اتفاق افتاده است."
لانگ حتی به فکر گسترش به سمت شمال‌تر است، تا بررسی‌های زلزله‌ای در طول حاشیه قاره‌ای در نیوفاندلند و حتی در ایرلند انجام دهد—که زمانی در کنار حاشیه قاره‌ای آمریکای شمالی قرار داشت، تا اینکه اقیانوس اطلس باز شد و آن‌ها را جدا کرد. نتایج اولیه نشان می‌دهد که ممکن است تفاوت‌های قابل توجهی در نحوه رفتار حاشیه غیرفعال در سمت آمریکای شمالی و سمت ایرلندی وجود داشته باشد، همکار لانگ، روبرتو ماسیس آرسه از دانشگاه راتگرز در کنفرانس اتحادیه زمین‌شناسی آمریکا در دسامبر 2024 گزارش داد.
تمام این کشفیات نشان می‌دهد که حاشیه شمال شرقی آمریکای شمالی، که زمانی کمی خسته‌کننده به نظر می‌رسید، بسیار بیشتر از آنچه که ممکن است فکر کنید، دارد. "غیرفعال به معنای غیرفعال بودن زمین‌شناسی نیست،" مازا می‌گوید. "ما بر روی یک سیاره فعال زندگی می‌کنیم."