Горячая точка Гавайев — это вулканическая горячая точка , расположенная недалеко от одноименных Гавайских островов , в северной части Тихого океана . Одна из самых известных и тщательно изучаемых горячих точек в мире, [1] [2] шлейф Гавайских островов ответственен за создание Гавайско-Императорской цепи подводных гор , 6200-километрового (3900 миль), в основном подводного вулканического горного хребта. Четыре из этих вулканов действующие , два бездействуют ; более 123 из них вымерли , большинство из них сохранилось в виде атоллов или подводных гор . Цепь простирается от юга острова Гавайи до края Алеутского желоба , недалеко от восточного побережья России .
В то время как большинство вулканов созданы геологической деятельностью на границах тектонических плит , горячая точка Гавайев расположена далеко от границ плит. Классическая теория горячих точек, впервые предложенная в 1963 году Джоном Тузо Уилсоном , [3] предполагает, что единственный фиксированный мантийный шлейф создает вулканы, которые затем, отрезанные от своего источника движением Тихоокеанской плиты , становятся все более неактивными и в конечном итоге разрушаются внизу . уровень моря в течение миллионов лет. Согласно этой теории, изгиб почти на 60°, где встречаются Императорский и Гавайский сегменты цепи, был вызван внезапным сдвигом в движении Тихоокеанской плиты. В 2003 году новые исследования этой неравномерности привели к предложению теории мобильных горячих точек, предполагающей, что горячие точки являются мобильными, а не фиксированными, и что изгиб, произошедший 47 миллионов лет назад, был вызван сдвигом в движении горячей точки, а не тарелки.
Древние гавайцы были первыми, кто осознал увеличение возраста и выветривания вулканов на севере по мере того, как они продвигались в рыболовных экспедициях вдоль островов. Нестабильное состояние гавайских вулканов и их постоянная битва с морем были основным элементом гавайской мифологии , воплощенной в Пеле , божестве вулканов. После прибытия на остров европейцев в 1880–1881 годах Джеймс Дуайт Дана руководил первым формальным геологическим исследованием вулканов горячей точки, подтвердив связь, давно наблюдаемую местными жителями. Гавайская вулканическая обсерватория была основана в 1912 году вулканологом Томасом Джаггером , положив начало постоянным научным наблюдениям за островами. В 1970-х годах был начат картографический проект, чтобы получить больше информации о сложной геологии морского дна Гавайев.
С тех пор была сделана томография , которая показала, что горячая точка имеет ширину от 500 до 600 км (от 310 до 370 миль) и глубину до 2000 км (1200 миль), а исследования на основе оливина и граната показали, что ее магматическая камера составляет примерно 1500 °. С (2730 ° F). По крайней мере, за 85 миллионов лет деятельности эта горячая точка произвела около 750 000 км 3 (180 000 кубических миль) горных пород. Скорость дрейфа цепи со временем медленно увеличивалась, в результате чего продолжительность активности каждого отдельного вулкана уменьшалась: с 18 миллионов лет для Детройтской подводной горы возрастом 76 миллионов лет до чуть менее 900 000 лет для миллионной подводной горы. годовалый Кохала ; с другой стороны, объем извержений увеличился с 0,01 км 3 (0,002 куб. миль) в год примерно до 0,21 км 3 (0,050 куб. миль). В целом, это вызвало тенденцию к более активным, но быстро затихающим, близко расположенным вулканам — тогда как вулканы на ближней стороне горячей точки перекрывают друг друга (образуя такие надстройки, как остров Гавайи и древний Мауи Нуи ), самый старый из императорских Подводные горы расположены на расстоянии до 200 км (120 миль) друг от друга.
Тектонические плиты обычно концентрируют деформации и вулканизм на границах плит . Однако горячая точка на Гавайях находится на расстоянии более 3200 километров (1988 миль) от ближайшей границы плиты; [1] изучая его в 1963 году, канадский геофизик Дж. Тузо Уилсон предложил теорию горячих точек , чтобы объяснить эти зоны вулканизма, находящиеся так далеко от обычных условий, [3] теорию, которая с тех пор получила широкое признание. [4]
Уилсон предположил, что мантийная конвекция вызывает небольшие горячие плавучие апвеллинги под поверхностью Земли; эти термически активные мантийные плюмы поставляют магму, которая, в свою очередь, поддерживает длительную вулканическую активность. Этот вулканизм «средней плиты» образует пики, которые поднимаются над относительно безликим морским дном, сначала в виде подводных гор , а затем в виде полноценных вулканических островов . Местная тектоническая плита (в случае Гавайской горячей точки — Тихоокеанская плита ) постепенно проходит над горячей точкой, увлекая за собой вулканы, не затрагивая шлейф. В течение сотен тысяч лет подача магмы для отдельного вулкана медленно прекращается, что в конечном итоге приводит к его исчезновению. Вулкан, уже не достаточно активный, чтобы справиться с эрозией, медленно уходит под волны, снова становясь подводной горой. По мере продолжения цикла новый вулканический центр пронзает земную кору, и вновь возникает вулканический остров. Процесс продолжается до тех пор, пока не рухнет сам мантийный плюм. [1]
Этот цикл роста и покоя объединяет вулканы на протяжении миллионов лет, оставляя на дне океана след из вулканических островов и подводных гор. Согласно теории Вильсона, гавайские вулканы должны становиться все старше и подвергаться все большей эрозии по мере удаления от горячей точки, и это легко наблюдать; самой старой скале на главных Гавайских островах, Кауаи , около 5,5 миллионов лет, и она глубоко разрушена эрозией, в то время как скала на острове Гавайи сравнительно молода, ее возраст составляет 0,7 миллиона лет или меньше, а в Килауэа , текущий центр точки доступа. [1] [5] Еще одним следствием его теории является то, что длина и ориентация цепи служат для записи направления и скорости движения Тихоокеанской плиты . Главной особенностью Гавайской тропы является «внезапный» изгиб на 60 градусов на участке ее длины возрастом от 40 до 50 миллионов лет, и, согласно теории Вильсона, это свидетельствует о серьезном изменении направления плит. тот, который вызвал бы субдукцию вдоль большей части западной границы Тихоокеанской плиты. [6] Эта часть теории недавно была подвергнута сомнению, и изгиб можно объяснить движением самой горячей точки. [7]
Геофизики полагают, что горячие точки возникают на одной из двух основных границ глубоко в Земле: либо на мелкой границе в нижней мантии между конвективным слоем верхней мантии и нижним неконвективным слоем, либо на более глубокой точке D'' («D double-prime «) слой толщиной примерно 200 километров (120 миль) и находится непосредственно над границей ядра и мантии . [8] Мантийный шлейф возникнет на границе раздела, когда более теплый нижний слой нагревает часть более холодного верхнего слоя. Эта нагретая, плавучая и менее вязкая часть верхнего слоя станет менее плотной из-за теплового расширения и поднимется к поверхности в результате неустойчивости Рэлея-Тейлора . [8] Когда мантийный плюм достигает основания литосферы , он нагревает ее и производит расплав. Затем эта магма пробивается на поверхность, где извергается в виде лавы . [9]
Аргументы в пользу обоснованности теории горячих точек обычно основываются на устойчивом изменении возраста Гавайских островов и близлежащих объектов: [10] аналогичный изгиб следа горячей точки Макдональда , цепи подводных гор Австрал-Маршалловых островов, расположенный чуть южнее; [11] другие горячие точки Тихого океана , следующие той же возрастной тенденции с юго-востока на северо-запад в фиксированных относительных положениях; [12] [13] и сейсмологические исследования на Гавайях, которые показывают повышенные температуры на границе ядро-мантия, что свидетельствует о наличии мантийного плюма. [14]
Другая гипотеза состоит в том, что аномалии плавления образуются в результате расширения литосферы, что позволяет ранее существовавшему расплаву подняться на поверхность. Эти аномалии плавления обычно называют «горячими точками», но согласно гипотезе неглубокого источника мантия, лежащая под ними, не является аномально горячей. В случае с цепью подводных гор Гавайи и Императора система границ Тихоокеанской плиты сильно отличалась около 80 млн лет назад , когда начала формироваться цепь подводных гор Императора. Есть свидетельства того, что цепь началась на спрединговом хребте ( Тихоокеанско-Кульский хребет ), ныне погруженном в Алеутский желоб. [15] Место извлечения расплава, возможно, мигрировало с хребта внутрь плиты, оставив за собой след вулканизма. Эта миграция могла произойти потому, что эта часть плиты расширялась, чтобы приспособиться к внутриплитному напряжению. Таким образом, могла поддерживаться долгоживущая область выхода расплава. Сторонники этой гипотезы утверждают, что аномалии скорости волн, наблюдаемые в сейсмотомографических исследованиях, не могут быть достоверно интерпретированы как горячие апвеллинги, зарождающиеся в нижней мантии. [16] [17]
Самый спорный элемент теории Вильсона заключается в том, действительно ли горячие точки зафиксированы относительно вышележащих тектонических плит. Образцы бурения , собранные учеными еще в 1963 году, позволяют предположить, что горячая точка могла смещаться с течением времени с относительно быстрыми темпами, около 4 сантиметров (1,6 дюйма) в год, в течение позднего мела и раннего палеогена (81–47 млн лет назад). ); [18] для сравнения: Срединно-Атлантический хребет расширяется со скоростью 2,5 см (1,0 дюйма) в год. [1] В 1987 году исследование, опубликованное Питером Молнаром и Джоан Сток , показало, что горячая точка действительно перемещается относительно Тихого океана; однако они интерпретировали это как результат относительного движения Северо -Американской и Тихоокеанской плит, а не самой горячей точки. [19] [20]
В 2021 году исследователи предложили трехэтапную модель горячей точки на Гавайях. [21] На первом этапе происходит взаимодействие хребтовых шлейфов, при котором горячая точка Гавайев питает либо Идзанаги-Тихоокеанский, либо Кула-Тихоокеанский хребты. В этот период зародилась молодая океаническая кора и образовались подводные горы Меджи и Детройт. Второй этап включал взаимные движения Тихоокеанской плиты и горячей точки Гавайских островов. Возможно, что подтверждается гравитационным моделированием, что в этот период горячая точка Гавайских островов сместилась примерно на 4-9 градусов к югу, в отличие от движения Тихоокеанской плиты на север. На третьем этапе продолжилось движение Тихоокеанской плиты при стагнации горячей точки на Гавайях. [21]
В 2001 году Программа океанского бурения (с тех пор объединенная с Комплексной программой океанского бурения ), международная исследовательская работа по изучению морского дна мира, профинансировала двухмесячную экспедицию на борту исследовательского судна JOIDES Резолюция по сбору образцов лавы с четырех затопленных подводных гор Императора. В рамках проекта пробурены подводные горы Детройт , Нинтоку и Коко , все из которых находятся на крайнем северо-западном конце цепи, самом старом участке. [22] [23] Эти образцы лавы были затем протестированы в 2003 году, что позволило предположить, что причиной изгиба является мобильная горячая точка на Гавайях и сдвиг в ее движении. [7] [24] Ведущий учёный Джон Тардуно рассказал National Geographic :
Изгиб Гавайских островов использовался как классический пример того, как большая плита может быстро менять движение. Вы можете найти диаграмму изгиба Гавайи-Имперор, включенную практически в каждый вводный учебник по геологии. Это действительно то, что бросается в глаза». [24]
Несмотря на большой сдвиг, изменение направления никогда не было зафиксировано магнитными склонениями , ориентацией зон разлома или реконструкциями плит ; Столкновение континентов не могло произойти достаточно быстро, чтобы вызвать такой явный изгиб цепи. [25] Чтобы проверить, был ли изгиб результатом изменения направления Тихоокеанской плиты, ученые проанализировали геохимию образцов лавы, чтобы определить, где и когда они образовались. Возраст был определен методом радиометрического датирования радиоактивными изотопами калия и аргона . Исследователи подсчитали, что вулканы образовались в период от 81 до 45 миллионов лет назад. Тардуно и его команда определили, где образовались вулканы, проанализировав породу на наличие магнитного минерала магнетита . Пока горячая лава из извержения вулкана остывает, крошечные зерна внутри магнетита выравниваются с магнитным полем Земли и фиксируются на месте после затвердевания породы. Исследователи смогли проверить широты, на которых образовались вулканы, путем измерения ориентации зерен внутри магнетита. Палеомагнетисты пришли к выводу, что горячая точка на Гавайях когда-то в своей истории сместилась на юг и что 47 миллионов лет назад движение горячей точки на юг значительно замедлилось, а возможно, даже полностью прекратилось. [22] [24]
Возможность того, что Гавайские острова стали старше по мере продвижения на северо-запад, подозревалась древними гавайцами задолго до прибытия европейцев. Во время своих путешествий гавайцы-мореплаватели заметили различия в эрозии, почвообразовании и растительности, что позволило им сделать вывод, что острова на северо-западе ( Нихау и Кауаи ) были старше, чем острова на юго-востоке (Мауи и Гавайи). [1] Идея передавалась из поколения в поколение через легенду о Пеле , гавайской богине вулканов.
Пеле родился от женского духа Хаумеа , или Хины , который, как и все гавайские боги и богини, произошел от верховных существ, Папы, или Матери-Земли , и Вакеа , или Небесного Отца . [26] : 63 [27] Согласно мифу, Пеле изначально жила на Кауаи, когда ее старшая сестра Намака , богиня моря, напала на нее за то, что она соблазнила мужа. Пеле бежал на юго-восток, на остров Оаху. Когда Намака снова вынудила Пеле бежать, она двинулась на юго-восток, на Мауи и, наконец, на Гавайи, где она до сих пор живет в Халемаумау на вершине Килауэа . Там она была в безопасности, потому что склоны вулкана настолько высоки, что даже могучие волны Намаки не могли до нее добраться. Мифический полет Пеле, намекающий на вечную борьбу между вулканическими островами и океанскими волнами, согласуется с геологическими данными о том, что возраст островов уменьшается к юго-востоку. [1] [18]
Трое из первых зарегистрированных наблюдателей вулканов были шотландскими учеными Арчибальдом Мензисом в 1794 году, [28] Джеймсом Макрэ в 1825 году, [29] и Дэвидом Дугласом в 1834 году. Простое достижение вершин оказалось устрашающим: Мензису потребовалось три попытки подняться на Мауна-Лоа. , а Дуглас погиб на склонах Мауна-Кеа . Исследовательская экспедиция США провела несколько месяцев, изучая острова в 1840–1841 годах. [30] В этой экспедиции участвовал американский геолог Джеймс Дуайт Дана , а также лейтенант Чарльз Уилкс , который провел большую часть времени, возглавляя команду из сотен человек, которая доставила маятник Катера на вершину Мауна-Лоа для измерения гравитации. Дана осталась с миссионером Титусом Коаном , который десятилетиями проводил наблюдения из первых рук. [31] Дана опубликовала короткую статью в 1852 году. [32]
Дана по-прежнему интересовался происхождением Гавайских островов и руководил более глубоким исследованием в 1880 и 1881 годах. Он подтвердил, что возраст островов увеличивался по мере их удаления от самого юго-восточного острова, наблюдая различия в степени их эрозии. Он также предположил, что многие другие цепочки островов в Тихом океане демонстрируют аналогичное общее увеличение возраста с юго-востока на северо-запад. Дана пришла к выводу, что Гавайская цепь состоит из двух вулканических цепей, расположенных вдоль различных, но параллельных изогнутых путей. Он придумал термины «Лоа» и «Кеа» для двух выдающихся тенденций. Тенденция Кеа включает вулканы Килауэа , Мауна-Кеа , Кохала , Халеакала и Западный Мауи . Тенденция лоа включает Лоаи , Мауна-Лоа , Хуалалай , Кахоолаве , Ланаи и Западный Молокаи . Дана предположил, что расположение Гавайских островов отражает локализованную вулканическую активность вдоль основной зоны трещин. Теория «великой трещины» Даны служила рабочей гипотезой для последующих исследований до середины 20 века. [25]
За работой Даны последовала экспедиция 1884 года геолога К. Э. Даттона , который уточнил и расширил идеи Даны. В частности, Даттон установил, что на острове Гавайи на самом деле находится пять вулканов, тогда как Дана насчитал три. Это связано с тем, что Дана изначально считал Килауэа фланговым отверстием Мауна-Лоа, а Кохалу - частью Мауна-Кеа. Даттон также уточнил другие наблюдения Даны, и ему приписывают наименование лав типа «аа» и «пахохо» , хотя Дана также отметила различие. Воодушевленный экспедицией Даттона, Дана вернулся в 1887 году и опубликовал множество отчетов о своей экспедиции в « Американском журнале науки» . В 1890 году он опубликовал самую подробную рукопись своего времени, которая на протяжении десятилетий оставалась исчерпывающим путеводителем по гавайскому вулканизму. В 1909 г. были опубликованы две крупные книги о вулканах Гавайев ( «Вулканы Килауэа и Мауна-Лоа» У.Т. Бригама и «Гавайи и их вулканы» Ч.Х. Хичкока). [33] : 154–155.
В 1912 году геолог Томас Джаггар основал Гавайскую вулканическую обсерваторию . В 1919 году объект был передан Национальному управлению океанических и атмосферных исследований, а в 1924 году — Геологической службе США (USGS), что положило начало непрерывным наблюдениям за вулканами на острове Гавайи. Следующее столетие стало периодом тщательных исследований, отмеченных вкладом многих ведущих ученых. Первая полная эволюционная модель была впервые сформулирована в 1946 году геологом и гидрологом Геологической службы США Гарольдом Т. Стернсом. С тех пор достижения (например, усовершенствованные методы датирования горных пород и стадии подводных вулканов) позволили изучить ранее ограниченные области наблюдений. [33] : 157 [34]
В 1970-х годах морское дно Гавайских островов было нанесено на карту с помощью корабельного гидролокатора . Вычисленные данные SYNBAPS (Система синтетического батиметрического профилирования) [35] заполнили пробелы между батиметрическими измерениями судового гидролокатора . [36] [37] С 1994 по 1998 год [38] Японское агентство по морским наукам и технологиям о Земле (JAMSTEC) подробно нанесло на карту Гавайи и изучило дно океана, что сделало его одним из наиболее изученных морских объектов в мире. В проекте JAMSTEC, созданном в сотрудничестве с Геологической службой США и другими агентствами, использовались обитаемые подводные аппараты , подводные аппараты с дистанционным управлением , образцы земснаряда и образцы керна . [39] Многолучевой гидролокатор бокового обзора Simrad EM300 собирал данные батиметрии и обратного рассеяния . [38]
Горячая точка на Гавайях была получена с помощью сейсмической томографии , ее ширина оценивается в 500–600 км (310–370 миль). [40] [41] Томографические изображения показывают тонкую зону низких скоростей, простирающуюся до глубины 1500 км (930 миль), соединяющуюся с большой зоной низких скоростей, простирающейся от глубины 2000 км (1200 миль) до ядра . граница мантии . Эти зоны с низкой сейсмической скоростью часто указывают на более горячий и плавучий мантийный материал, что соответствует плюму, берущему начало в нижней мантии, и пруду плюмового материала в верхней мантии. Зона низких скоростей, связанная с источником плюма, находится к северу от Гавайев, что свидетельствует о том, что плюм в определенной степени наклонен и отклоняется на юг мантийным потоком. [42] Данные о неравновесиях серии распада урана показали, что активно текущая область зоны плавления имеет ширину 220 ± 40 км (137 ± 25 миль) км у ее основания и 280 ± 40 км (174 ± 25 миль) в верхней части. мантийный апвеллинг, что согласуется с томографическими измерениями. [43]
Косвенные исследования показали, что магматическая камера расположена примерно на глубине 90–100 километров (56–62 миль) под землей, что соответствует предполагаемой глубине породы мелового периода в океанической литосфере; это может указывать на то, что литосфера действует как крышка при плавлении, останавливая подъем магмы. Первоначальная температура магмы была определена двумя способами: путем проверки температуры плавления граната в лаве и путем корректировки лавы с учетом ухудшения качества оливина . Оба теста Геологической службы США, кажется, подтверждают температуру около 1500 ° C (2730 ° F); для сравнения, расчетная температура базальта срединно-океанического хребта составляет около 1325 ° C (2417 ° F). [44]
Аномалия поверхностного теплового потока вокруг Гавайского вала составляет всего лишь порядка 10 мВт/м 2 , [45] [46] намного меньше, чем континентальный диапазон Соединенных Штатов, составляющий 25–150 мВт/м 2 . [47] Это неожиданно для классической модели горячего плавучего плюма в мантии. Однако было показано, что другие плюмы демонстрируют сильно изменчивые поверхностные тепловые потоки и что эта изменчивость может быть связана с переменным потоком гидротермальных флюидов в земной коре над горячими точками. Этот поток жидкости адвективно отводит тепло от коры, и поэтому измеренный кондуктивный тепловой поток ниже, чем истинный общий поверхностный тепловой поток. [46] Низкая температура на Гавайском валу указывает на то, что он не поддерживается плавучей корой или верхней литосферой, а скорее поддерживается восходящим горячим (и, следовательно, менее плотным) мантийным плюмом, который заставляет поверхность подниматься [45] ] посредством механизма, известного как « динамическая топография ».
Гавайские вулканы дрейфуют на северо-запад от горячей точки со скоростью около 5–10 сантиметров (2,0–3,9 дюйма) в год. [18] Горячая точка сместилась на юг примерно на 800 километров (497 миль) относительно императорской цепи. [25] Палеомагнитные исследования подтверждают этот вывод, основанный на изменениях магнитного поля Земли , картина которых запечатлелась в горных породах во время их затвердевания, [48] показывая, что эти подводные горы образовались на более высоких широтах, чем современные Гавайи. До изгиба горячая точка мигрировала примерно на 7 сантиметров (2,8 дюйма) в год; скорость движения изменилась во время изгиба примерно до 9 сантиметров (3,5 дюйма) в год. [25] Программа океанского бурения предоставила большую часть текущих знаний о дрейфе. Экспедиция 2001 года [49] пробурила шесть подводных гор и протестировала образцы, чтобы определить их первоначальную широту и, следовательно, характеристики и скорость дрейфа горячей точки в целом. [50]
Каждый последующий вулкан проводит меньше времени, активно прикрепленный к шлейфу. Большая разница между самой молодой и самой старой лавой вулканов Императора и Гавайских островов указывает на то, что скорость горячей точки увеличивается. Например, Кохала, старейший вулкан на острове Гавайи, имеет возраст один миллион лет и последний раз извергался 120 000 лет назад, то есть период чуть менее 900 000 лет; тогда как одна из старейших, Детройтская подводная гора, испытала вулканическую активность на протяжении 18 или более миллионов лет. [23]
Самый старый вулкан в цепи, подводная гора Мэйдзи, расположенный на краю Алеутской впадины , образовался 85 миллионов лет назад. [51] При нынешней скорости подводная гора будет разрушена в течение нескольких миллионов лет, поскольку Тихоокеанская плита скользит под Евразийскую плиту . Неизвестно, погружалась ли цепь подводных гор под Евразийскую плиту и является ли горячая точка старше подводной горы Мэйдзи, поскольку с тех пор любые более старые подводные горы были разрушены краями плиты. Также возможно, что столкновение возле Алеутского желоба изменило скорость Тихоокеанской плиты, что объясняет изгиб цепи горячих точек; Связь между этими особенностями все еще исследуется. [25] [52]
Согласно анализу элементных соотношений стронций - ниобий - палладий , состав магмы вулканов существенно изменился . Императорские подводные горы были активны в течение по крайней мере 46 миллионов лет, причем самая старая лава была датирована меловым периодом , за ней последовали еще 39 миллионов лет активности вдоль гавайского сегмента цепи, общая продолжительность которых составила 85 миллионов лет. Данные демонстрируют вертикальную изменчивость количества стронция, присутствующего как в щелочных (ранние стадии), так и в толеитовых (более поздние стадии) лавах. Систематический рост резко замедляется в момент изгиба. [51]
Почти вся магма, созданная горячей точкой, представляет собой магматический базальт ; вулканы построены почти полностью из того или иного по составу, но более крупнозернистого габбро и диабаза . Другие магматические породы, такие как нефелинит , присутствуют в небольших количествах; они часто происходят на старых вулканах, особенно на подводной горе Детройта. [51] Большинство извержений являются жидкими, потому что базальтовая магма менее вязкая , чем магма, характерная для более взрывных извержений, таких как андезитовая магма, которая производит впечатляющие и опасные извержения на окраинах Тихоокеанского бассейна. [7] Вулканы делятся на несколько категорий извержений . Гавайские вулканы называют «гавайскими». Гавайская лава выливается из кратеров и образует длинные потоки светящейся расплавленной породы, стекающие по склону, покрывая акры земли и заменяя океан новой сушей. [53]
Имеются убедительные доказательства того, что скорость потока лавы увеличивается. За последние шесть миллионов лет они были намного выше, чем когда-либо прежде, и составили более 0,095 км 3 (0,023 кубических миль) в год. Среднее значение за последний миллион лет еще выше и составляет около 0,21 км 3 (0,050 куб. миль). Для сравнения, средний уровень добычи на срединно-океаническом хребте составляет около 0,02 км 3 (0,0048 кубических миль) на каждые 1000 километров (621 миль) хребта. Скорость вдоль цепи подводных гор Императора составляла в среднем около 0,01 кубического километра (0,0024 кубических миль) в год. В первые пять миллионов лет существования горячей точки этот показатель был почти нулевым. Средняя скорость производства лавы вдоль Гавайской цепи была выше и составляла 0,017 км 3 (0,0041 кубических миль) в год. [25] В общей сложности горячая точка произвела около 750 000 кубических километров (180 000 кубических миль) лавы, чего достаточно, чтобы покрыть Калифорнию слоем толщиной около 1,5 километров (1 миля). [5] [18] [54] [55] [56]
Расстояние между отдельными вулканами сократилось. Хотя вулканы дрейфуют на север быстрее и проводят меньше времени в активности, гораздо больший современный объем извержений горячей точки привел к образованию более близко расположенных вулканов, и многие из них перекрываются, образуя такие надстройки, как остров Гавайи и древний Мауи Нуи . Между тем, многие вулканы на Императорских подводных горах разделены расстоянием в 100 километров (62 мили) или даже на целых 200 километров (124 мили). [55] [56]
Подробный топографический анализ цепи подводных гор Гавайи-Император показывает, что горячая точка является центром топографического максимума, и что высота падает по мере удаления от горячей точки. Наиболее быстрое снижение высот и наибольшее соотношение между рельефом и высотой геоида наблюдается над юго-восточной частью цепи, снижаясь по мере удаления от горячей точки, особенно на пересечении зон разломов Молокаи и Мюррей. Наиболее вероятное объяснение состоит в том, что область между двумя зонами более подвержена повторному нагреву, чем большая часть цепи. Другое возможное объяснение состоит в том, что сила горячей точки со временем увеличивается и уменьшается. [37]
В 1953 году Роберт С. Дитц и его коллеги впервые определили поведение волн. Было высказано предположение, что причиной стал мантийный апвеллинг. Более поздние работы указали на тектоническое поднятие , вызванное повторным нагревом нижней литосферы. Однако нормальная сейсмическая активность под волной, а также отсутствие обнаруженного теплового потока заставили ученых предположить, что причиной является динамическая топография , в которой движение горячего и плавучего мантийного плюма поддерживает высокий рельеф поверхности вокруг островов. [45] Понимание гавайских волн имеет важные последствия для изучения горячих точек, формирования островов и внутренней части Земли. [37]
Горячая точка Гавайев представляет собой высокоактивную сейсмическую зону , где ежегодно на острове Гавайи и вблизи него происходят тысячи землетрясений . Большинство из них слишком малы, чтобы люди могли их ощутить, но некоторые достаточно велики, чтобы привести к незначительным или умеренным разрушениям. [57] Самым разрушительным зарегистрированным землетрясением было землетрясение 2 апреля 1868 года , магнитуда которого составила 7,9 балла по шкале Рихтера . [58] Это вызвало оползень на Мауна-Лоа, в 5 милях (8,0 км) к северу от Пахалы , в результате чего погиб 31 человек. Цунами унесло еще 46 жизней . Деревни Пуналуу, Ниноле , Кааава, Хонуапо и Киохоу Лендинг были серьезно повреждены. Сообщается, что цунами прокатилось по вершинам кокосовых пальм высотой до 60 футов (18 м) и в некоторых местах достигло глубины страны на расстояние четверти мили (400 м). [59]
За свою 85-миллионную историю горячая точка на Гавайях создала по меньшей мере 129 вулканов, более 123 из которых являются потухшими вулканами , подводными горами и атоллами , четыре из которых являются действующими вулканами , а два из них являются спящими вулканами . [23] [50] [60] Их можно разделить на три основные категории: Гавайский архипелаг , который включает большую часть американского штата Гавайи и является местом всей современной вулканической активности; Северо -западные Гавайские острова , состоящие из коралловых атоллов, вымерших островов и островов-атоллов ; и Императорские подводные горы , которые с тех пор подверглись эрозии и опустились в море и превратились в подводные горы и гайоты (подводные горы с плоской вершиной). [61]
Гавайские вулканы характеризуются частыми рифтовыми извержениями , большими размерами (тысячи кубических километров по объему) и грубой децентрализованной формой. Рифтовые зоны являются характерной особенностью этих вулканов и объясняют их, казалось бы, случайную вулканическую структуру. [62] Самая высокая гора в цепи Гавайских островов, Мауна-Кеа, возвышается на 4205 метров (13796 футов) над средним уровнем моря . Если измерять от основания на морском дне, это самая высокая гора в мире, ее высота составляет 10 203 метра (33 474 фута); Гора Эверест возвышается на 8848 метров (29029 футов) над уровнем моря. [63] Гавайи окружены множеством подводных гор; однако выяснилось, что они не связаны с горячей точкой и ее вулканизмом. [39] Килауэа непрерывно извергался с 1983 по 2018 год из-за Пуу-ОО , небольшого вулканического конуса, который стал достопримечательностью как для вулканологов, так и для туристов. [64]
Гавайские острова покрыты большим количеством оползней, вызванных обвалом вулкана. Батиметрическое картирование выявило по меньшей мере 70 крупных оползней на склонах острова длиной более 20 км (12 миль), самые длинные из которых имеют длину 200 км (120 миль) и объем более 5000 км 3 (1200 кубических миль). Эти селевые потоки можно разделить на две большие категории: обвалы , массовое движение по склонам, которые медленно выравнивают их источники, и более катастрофические лавины обломков , которые фрагментируют вулканические склоны и разбрасывают вулканические обломки за их склоны. Эти оползни вызвали мощные цунами и землетрясения, раскололи вулканические массивы и разбросали обломки на сотни миль от их источника. [65] Активный спад в настоящее время происходит на южном фланге Большого острова , где спад Хилина включает мобильную часть массы острова к югу от Килауэа. [66]
Обвалы, как правило, глубоко укоренены в своих инициаторах, перемещая камни на глубину до 10 км (6 миль) внутри вулкана. Вынужденные массой недавно выброшенного вулканического материала, обвалы могут медленно ползти вперед или стремительно нарастать вперед в виде спазмов, которые вызвали самые крупные из исторических землетрясений на Гавайях в 1868 и 1975 годах. Между тем лавины обломков тоньше и длиннее, и их размер определяется вулканическими амфитеатрами на вершине и холмистой местностью у подножия. Быстро движущиеся лавины разнесли блоки на расстояние 10 км (6 миль) на десятки километров, нарушив местную толщу воды и вызвав цунами. Свидетельства этих событий существуют в виде морских отложений высоко на склонах многих гавайских вулканов [65] и испортили склоны нескольких императорских подводных гор, таких как Дайкакудзи-Гайот и подводная гора Детройт. [23]
Измерения GPS на восточном склоне острова Гавайи за 5-летний период показывают картину обрушения со скоростями до 15 см/год (5,9 дюйма/год) относительно Тихоокеанской плиты [67]
Гавайские вулканы следуют устоявшемуся жизненному циклу роста и эрозии. После образования нового вулкана выход лавы постепенно увеличивается. Высота и активность достигают пика, когда вулкану около 500 000 лет, а затем быстро снижаются. В конце концов он переходит в спячку и в конечном итоге вымирает. Выветривание и эрозия постепенно уменьшают высоту вулкана, пока он снова не превратится в подводную гору. [61]
Этот жизненный цикл состоит из нескольких стадий. Первый этап – это этап предзащиты подводных лодок , в настоящее время представленный исключительно Камаэуаканалоа . На этом этапе вулкан набирает высоту за счет все более частых извержений. Давление моря предотвращает взрывные извержения. Холодная вода быстро затвердевает, образуя подушечную лаву , типичную для подводной вулканической активности. [61] [68]
По мере того, как подводная гора медленно растет, она проходит стадии щита . Находясь под водой, он образует множество зрелых образований, таких как кальдера . Вершина в конечном итоге выходит на поверхность, и лава и океанская вода «сражаются» за контроль, когда вулкан входит в взрывную подфазу . Примером этой стадии развития являются взрывные паровые выходы. На этом этапе образуется в основном вулканический пепел в результате волн, увлажняющих лаву. [61] Этот конфликт между лавой и морем влияет на гавайскую мифологию . [26] : 8–11
Вулкан переходит в субаэральную субфазу , когда становится достаточно высоким, чтобы выйти из воды. Сейчас вулкан набирает 95% своей надводной высоты примерно за 500 000 лет. После этого извержения становятся гораздо менее взрывоопасными. Лава, высвобождаемая на этом этапе, часто включает в себя как пахоэхо, так и аа, и действующие в настоящее время гавайские вулканы Мауна-Лоа и Килауэа находятся на этой стадии. Гавайская лава часто жидкая, глыбистая, медленная, и ее относительно легко предсказать; Геологическая служба США отслеживает места, где он наиболее вероятен, и поддерживает туристический объект для наблюдения за лавой. [61] [69]
Механический обвал, о котором свидетельствуют крупные подводные оползни рядом с оползневыми шрамами на островах, представляет собой непрерывный процесс, который определяет ранние этапы строительства вулканов на каждом из островов.
После субаэральной фазы вулкан вступает в серию постщитовых стадий , включающих механическое разрушение, вызывающее опускание и эрозию, превращаясь в атолл и, в конечном итоге, в подводную гору. Как только Тихоокеанская плита выдвинет его из тропиков с температурой 20 °C (68 °F) , риф практически исчезнет, и потухший вулкан станет одной из примерно 10 000 бесплодных подводных гор по всему миру. [61] [70] Каждая подводная гора Императора представляет собой потухший вулкан.
Рост и морфология рифов часто демонстрируют прогресс от подводного вулкана к субаэральному щиту и подводной горе. Процесс образования рифов по краям вулканического острова после его образования связан как с опусканием местного острова, так и с глобальным повышением уровня моря. [71] Другие местные факторы, такие как температура воды и топография, играют важную роль в формировании рифов. [71] Эти окаймляющие рифы постепенно растут вертикально и в сторону моря по мере того, как затихает бездействующий вулкан, что совпало с повышением относительного уровня моря. Современный пример, залив Кайлуа у острова Оаху , Гавайи, был тщательно изучен, чтобы понять образование карбонатов на рифах, образование и отложение отложений. Подсчитано, что валовое производство карбонатов составляет примерно 1,22 кг м -2 год -1 , тогда как образование отложений в результате биоэрозии составляет 0,33 кг м -2 год -1 , что приводит к средней вертикальной аккреции 0,066 см/год (0,026 дюйма/год). Эта скорость значительно ниже, чем в среднем по миру для прироста окаймляющих рифов 0,1–0,4 см/год (0,039–0,157 дюйма/год). Исследователи исследуют связь между сильным воздействием волн, биоразнообразием рифов, повышением уровня моря и антропогенным влиянием. [72] По мере опускания острова окаймляющие рифы превращаются в барьерные рифы , а когда вулкан становится подводной горой, барьерные рифы образуют атоллы . Атолл Мидуэй — хороший пример финальной стадии эволюции горячего вулканического острова. [73]
