Litosféra

Litosféra je pevný, tuhý vnější obal Země. Tvoří ji zemská kůra spolu s nejsvrchnější částí pláště a leží na měkčí astenosféře.¹⁴ Rozdělení na litosféru a astenosféru se řídí mechanickými vlastnostmi hornin, ne jejich složením. Litosféra je rozlámaná na tektonické desky, jejichž pohyb v řádu centimetrů za rok vytváří pohoří, příkopy, sopky a zemětřesení.⁶¹³

Co je litosféra

Litosféra je tuhý vnější obal planety. Skládá se ze zemské kůry a z nejsvrchnější části zemského pláště, které se chovají jako jeden pevný celek.¹⁴ Pod ní leží astenosféra, vrstva pláště, která je pod tlakem a teplotou natolik měkká, že se v geologických časových škálách pomalu deformuje a teče.⁴

Název pochází z řeckého lithos („kámen“) a sphaira („koule“). Pojem litosféra, spolu s protějškem astenosféra, zavedl roku 1914 americký geolog Joseph Barrell ve studii o pevnosti zemské kůry. Zjistil, že kontinenty a hory se udržují ve výšce svou vlastní pevností a že pod pevným povrchovým pásmem musí ležet slabší vrstva, která umožňuje vyrovnávání zátěže.¹

Litosféra je jednou z pěti sfér, které zkoumá fyzická geografie, vedle hydrosféry, atmosféry, pedosféry a biosféry. Je to pevný základ, na kterém stojí všechny ostatní.

Litosféra a zemská kůra: v čem je rozdíl

Tyto dva pojmy se často zaměňují, ale nejsou totéž. Zemská kůra se definuje podle složení: je to horninový obal oddělený od pláště Mohorovičićovou diskontinuitou (Moho). Litosféra se definuje podle chování: je to ta část Země, která reaguje na zatížení jako tuhé těleso a nepodléhá pomalému tečení. Litosféra proto zahrnuje kůru a ještě část svrchního pláště pod ní.¹⁴

Moho objevil roku 1909 chorvatský seismolog Andrija Mohorovičić při studiu zemětřesení v údolí Kupy. Všiml si, že seismické vlny se v určité hloubce náhle zrychlují, což ukazuje na přechod k hustším horninám.¹⁶ V referenčním modelu Země (PREM) leží tato hranice v hloubce 24,4 km, ve skutečnosti se ale její hloubka mění od několika kilometrů pod oceány po desítky kilometrů pod velkými pohořími.²

Stavba Země a místo litosféry

O stavbě nitra Země víme hlavně ze seismických vln, které procházejí planetou po zemětřeseních. Vlny se na rozhraních mezi vrstvami lámou a odrážejí, a z jejich rychlosti se dá odvodit hustota a pevnost hornin. Standardním souhrnem je model PREM z roku 1981, který popisuje, jak se s hloubkou mění hustota a rychlost seismických vln.²

• zemská kůra: tenká vnější slupka, tloušťka od několika kilometrů do přes 70 km,⁵
• plášť: skalnatý obal do hloubky asi 2 890 km, s nejsvrchnější částí patřící litosféře a pod ní s astenosférou,²
• vnější jádro: tekuté, z železa a niklu, do hloubky asi 5 150 km,²
• vnitřní jádro: pevné, v tlaku přes tři miliony atmosfér.²

Z čeho se litosféra skládá

Kontinentální kůra má v průměru složení blízké granodioritu. Podle přehledu Rudnicka a Gaoa z roku 2003 tvoří oxid křemičitý (SiO₂) asi 60 % její hmotnosti, následuje oxid hlinitý a oxidy železa, hořčíku a vápníku.³ Oceánská kůra je chudší na křemík a bohatší na železo a hořčík: tvoří ji hlavně čedič a gabro. Plášťová část litosféry se skládá hlavně z peridotitu, horniny z olivínu a pyroxenů.³

Horniny se podle vzniku dělí na tři skupiny. Vyvřelé (magmatické) vznikají tuhnutím taveniny, buď hluboko pod povrchem (granit), nebo na povrchu (čedič). Usazené vznikají ukládáním a stmelováním úlomků, vyloučením z roztoků nebo z pozůstatků organismů (pískovec, vápenec). Přeměněné (metamorfované) vznikají přeměnou starších hornin za vysokého tlaku a teploty (rula, mramor). Mezi těmito skupinami probíhá neustálý koloběh hornin, který se zdaleka neodehrává jen na povrchu: zvětráváním, ukládáním, pohřbíváním, tavením i vyzdvihováním pohoří.²⁴

Jak je litosféra tlustá

Tloušťka litosféry se výrazně liší, což je dáno hlavně její teplotou a stářím. Čerstvě vzniklá oceánská litosféra u středooceánského hřbetu je jen několik kilometrů silná, protože pod hřbetem je pevná kůra a pod ní plášť blízký bodu tání. Jak se od hřbetu vzdaluje, chladne, zahušťuje se zespodu a po desítkách milionů let dosahuje sta a více kilometrů tloušťky.⁵ Kontinentální litosféra je silnější a lehčí, zejména pod nejstaršími částmi kontinentů, takzvanými kratóny, kde místy přesahuje 200 km.⁴⁵

Přesnou hloubku spodní hranice litosféry určit nelze, protože přechod do astenosféry není ostrý. Jiné metody (seismické, tepelné, elektromagnetické) dávají pro stejnou oblast různé hodnoty, zejména pod kratóny, kde se o hloubce hranice vedou spory.⁴ Moderní globální modely, například LITHO1.0, proto uvádějí tloušťku litosféry jako odhad s nejistotou.⁵

Oceánská a kontinentální litosféra

Oceánská a kontinentální litosféra se liší stářím, složením i osudem. Oceánská litosféra vzniká neustále na středooceánských hřbetech a v hlubokomořských příkopech opět zaniká, a proto je geologicky mladá: nejstarší oceánské dno je staré jen asi 180 milionů let, zatímco Země má 4,5 miliardy let.⁷ Kontinentální litosféra je lehčí a plave výš, takže se do pláště nezanořuje, a její nejstarší části mají miliardy let.³⁴

Výškový rozdíl mezi kontinenty a oceánským dnem je důsledkem tohoto rozdílu hustoty. Lehčí kontinentální kůra vystupuje výš, jako by plula na hustším plášti. Tento princip, izostázie, vysvětluje, proč se pevnina po roztání ledovce pomalu vyzvedává: například Skandinávie se od konce poslední doby ledové zdvihá o jednotky milimetrů až asi centimetr za rok.²² Podrobně tento jev, takzvané glaciální izostatické vyrovnávání, popisuje Peltier (2004).²¹

Tektonické desky

Litosféra není souvislá slupka, ale mozaika pevných desek, které se vůči sobě pomalu pohybují. Podle modelu PB2002, který sestavil Peter Bird, je na Zemi 52 desek.⁶ Největší jsou Pacifická, Severoamerická, Euroasijská, Africká, Antarktická, Australská a Jihoamerická, k nim přistupuje řada menších, například Nazca, Filipínská nebo Arabská.⁶ Počet desek se podle zdroje liší (běžně se uvádí sedm nebo osm hlavních), protože hranice mezi velkými a malými deskami je věcí dohody.

Desky se pohybují řádově centimetry za rok, tedy zhruba tak rychle, jak rostou nehty. Podle americké geologické služby USGS se na Středoatlantském hřbetu rozestupují asi 2,5 cm za rok, na zlomu San Andreas se míjejí asi 5 cm za rok a východopacifický hřbet patří mezi nejrychlejší s více než 15 cm za rok.¹³ Za sto milionů let se tak vzdálenost může změnit o tisíce kilometrů.

Typy hranic mezi deskami

Geologové rozlišují tři základní typy hranic podle vzájemného pohybu desek.¹³

Rozbíhavé (divergentní) hranice

Desky se od sebe vzdalují a mezi nimi vzniká nová kůra. Na dně oceánů se to děje na středooceánských hřbetech, například na Středoatlantském, kde vystupuje magma a tuhne v čedič. Na souši vznikají riftová údolí, například Východoafrický rift.¹³

Sbíhavé (konvergentní) hranice

Desky se srážejí. Když se střetne oceánská deska s kontinentální nebo dvě oceánské, těžší oceánská se zanořuje pod druhou (subdukce) a vzniká hlubokomořský příkop a řetěz sopek, například v Andách nebo na Japonských ostrovech. Když se srazí dvě kontinentální desky, žádná se nezanoří a kůra se vrásní a vysoko zdvihá. Tak vznikl Himálaj střetem Indické a Euroasijské desky.¹³

Transformní hranice

Desky se míjejí podél zlomu a kůra se při tom nevytváří ani neničí. Typickým příkladem je zlom San Andreas v Kalifornii.¹³ Tento typ hranic popsal roku 1965 kanadský geofyzik John Tuzo Wilson a pojmenoval jej „transformní zlom“.⁹

Co pohání desky

Hnací silou tektoniky je v nejobecnějším smyslu teplo z nitra Země, které se uvolňuje pomalým prouděním v plášti. Přímé příčiny pohybu desek se ale dnes vysvětlují hlavně silami působícími na samotnou desku. Podle klasické studie Forsytha a Uyedy z roku 1975 patří k nejdůležitějším tah klesající desky (slab pull), kdy těžká oceánská litosféra ve zlomu sama táhne za sebou zbytek desky, a v menší míře odtlačování od hřbetu (ridge push), kdy se vysoko položený hřbet „sesouvá“ po šikmé spodní hranici litosféry.¹⁴ Odpovídá tomu i pozorování, že desky s dlouhou zanořující se hranicí, například Pacifická, se pohybují nejrychleji.¹⁴

Přesný podíl jednotlivých sil se dodnes zpřesňuje a o rozsahu proudění v plášti se vedou odborné diskuse. Zjednodušená představa, že desky jsou pasivně unášeny na hřbetě konvekčních proudů jako po dopravním pásu, platí jen částečně.¹⁴

Jak vznikla teorie deskové tektoniky

Myšlenku, že se kontinenty pohybují, přednesl roku 1912 německý meteorolog a polárník Alfred Wegener. Jako argumenty uváděl shodu tvarů pobřeží Afriky a Jižní Ameriky, výskyt stejných fosilií a hornin na protilehlých březích Atlantiku a stopy dávných zalednění. Neuměl ale vysvětlit, jaká síla kontinenty pohání, a hypotéza byla většinou geologů odmítnuta.¹⁸

Rozhodující důkazy přinesl až výzkum oceánského dna v padesátých a šedesátých letech 20. století. Harry Hess v roce 1962 navrhl, že oceánské dno vzniká na hřbetech a rozšiřuje se.¹⁷ Roku 1963 Frederick Vine a Drummond Matthews ukázali, že horniny oceánského dna jsou souměrně od hřbetu zmagnetizované pruhy s opačnou polaritou. To odpovídá střídání polarity zemského magnetického pole, které se zapisuje do tuhnoucí horniny.⁸ John Tuzo Wilson doplnil v roce 1965 transformní zlomy.⁹

V letech 1967 a 1968 spojily tyto poznatky v jednotnou teorii tři na sobě nezávislé práce. Dan McKenzie a Robert Parker popsali pohyb desek na kulové ploše v severním Pacifiku,¹⁰ Jason Morgan zavedl pojem tuhých bloků (desek) pokrývajících zemský povrch¹¹ a Xavier Le Pichon sestavil první globální model pohybu šesti hlavních desek.¹²

Zemětřesení a sopky

Většina zemětřesení a sopečné činnosti se soustřeďuje na okrajích desek. Nejznámější je tichomořský ohnivý kruh, který lemuje Pacifik a spojuje subdukční zóny od Chile přes Aljašku a Japonsko po Nový Zéland. Podle National Geographic leží na tomto pásu zhruba 90 % všech zemětřesení a 75 % aktivních sopek.²³ Zemětřesení vznikají, když se napětí nahromaděné v tuhé litosféře uvolní prudkým pohybem po zlomu. Sopky vznikají tam, kde se tvoří magma, hlavně v subdukčních zónách a na rozbíhavých hranicích.¹³

Existují i výjimky uvnitř desek. Havajské ostrovy leží uprostřed Pacifické desky nad takzvanou horkou skvrnou, kde magma vystupuje z hlubin pláště. Pacifická deska se nad ní posouvá, proto jsou ostrovy v řetězci tím starší, čím jsou dál na severozápad.¹⁹²⁰

Litosféra a vznik pohoří a reliéfu

Vnitřní (endogenní) procesy v litosféře, tedy pohyby desek, vrásnění, zlomy a sopečná činnost, vytvářejí hrubé rysy zemského povrchu: pohoří, pánve a příkopy. Vnější (exogenní) procesy, zvětrávání a eroze působením vody, ledu a větru, je zase zarovnávají. Reliéf je výsledkem jejich souboje. Tím se zabývá geomorfologie, kterou popisujeme v článku o fyzické geografii.

Horotvorné procesy se dělí do období zvaných orogeneze. Pohoří vznikají střetem desek nebo subdukcí, ale po ukončení srážky pomalu erodují. Proto jsou nejstarší pohoří nízká a oblá, zatímco mladá, například Himálaj nebo Alpy, patří k nejvyšším.

Litosféra Česka

Území Česka tvoří dvě odlišné části. Na západě leží starý Český masiv, na východě mladé Západní Karpaty. Český masiv je zbytek rozsáhlého variského (hercynského) pohoří, které vzniklo hlavně od středního devonu po svrchní karbon, tedy asi před 380 až 300 miliony let, při srážce superkontinentů Gondwany a Laurussie. Jeho horniny jsou však ještě starší a sahají až do mladších prahor.¹⁵ Karpaty patří k mladému alpsko-himálajskému systému a vznikly až v době druhohor a třetihor.¹⁵

Příznačné pro Český masiv je, že po variském vrásnění pohoří desítky milionů let zarovnávala eroze, a dnešní vysočiny jsou výsledkem pozdějšího zdvihu. Sopečná činnost se vrátila ve třetihorách, kdy při alpském vrásnění vznikl Ohárecký (Ohře) rift a s ním sopečná pohoří: České středohoří, Doupovské hory nebo Kozákov.¹⁵ Nejmladší sopečné tvary, Komorní hůrka a Železná hůrka u Chebu, vznikly ve čtvrtohorách. V oblasti Chebska a Kraslicka se dodnes opakují slabá zemětřesení v rojích, která jsou pozůstatkem tektonické aktivity.¹⁵

Jak se litosféra zkoumá

Nejdůležitější metodou je seismologie, protože seismické vlny procházejí celou planetou.² Doplňují ji měření tíže a magnetického pole, která odhalují rozdíly v hustotě a složení hornin. Pohyb desek se dnes měří přímo pomocí družicových navigačních systémů (GPS/GNSS), které dokážou zaznamenat posun stanice o milimetry za rok.²⁵ Informace o hlubších vrstvách dodávají horniny vynesené sopkami, takzvané xenolity, a vrty, které ale dosahují jen nepatrné části tloušťky kůry.

Výsledky se zpracovávají do globálních modelů, například LITHO1.0, které popisují tloušťku a vlastnosti kůry a litosféry v mřížce po celé Zemi.⁵

Nejčastější omyly o litosféře

Litosféra není totéž co zemská kůra. Zahrnuje i nejsvrchnější část pláště a vymezuje se podle pevnosti, ne podle složení.¹⁴

Pod litosférou není roztavená hornina. Astenosféra je pevná, ale plastická, tedy pomalu tekoucí. Plášť je skoro celý v pevném skupenství, tavenina se tvoří jen místně.⁴ Roztavené je jen vnější jádro, a to v hloubce téměř tří tisíc kilometrů.²

Kontinenty se nepohybují „na“ oceánském dně. Kontinent je součást desky a spolu s ní se nese. Atlantský oceán se rozšiřuje proto, že uprostřed něj leží rozbíhavá hranice desek, kde vzniká nová kůra.

Související témata

Další články: fyzická geografie (nadřazený obor), geografie, hydrosféra, atmosféra, pedosféra a biosféra.

Časté otázky

Co je litosféra?

Litosféra je pevný vnější obal Země, který tvoří zemská kůra a nejsvrchnější část zemského pláště. Leží na měkčí astenosféře a je rozdělena na tektonické desky.¹⁴