Мантийный шлейф — это предполагаемый механизм конвекции внутри мантии Земли , предположительно объясняющий аномальный вулканизм. [2] Поскольку головка шлейфа частично тает при достижении небольшой глубины, шлейф часто называют причиной возникновения вулканических горячих точек , таких как Гавайи или Исландия , а также крупных магматических провинций , таких как Декан и Сибирские траппы . Некоторые такие вулканические регионы лежат далеко от границ тектонических плит , тогда как другие представляют собой необычайно крупный вулканизм вблизи границ плит.
Мантийные плюмы были впервые предложены Дж. Тузо Уилсоном в 1963 году [3] [4] и далее развиты У. Джейсоном Морганом в 1971 и 1972 годах. [4] Предполагается, что мантийный плюм существует там, где образуется перегретый материал ( нуклеаты ). на границе ядра и мантии и поднимается через мантию Земли. Вместо непрерывного потока шлейфы следует рассматривать как серию горячих пузырьков материала. [5] Достигая хрупкой верхней земной коры, они образуют диапиры . [6] Эти диапиры являются «горячими точками» в земной коре. В частности, концепция о том, что мантийные плюмы фиксированы относительно друг друга и закреплены на границе ядра и мантии, могла бы обеспечить естественное объяснение прогрессирующих во времени цепочек старых вулканов, простирающихся от некоторых таких горячих точек, например, Гавайско-Мантийного . Цепь подводных гор Императора . Однако палеомагнитные данные показывают, что мантийные плюмы также могут быть связаны с крупными провинциями с низкой скоростью сдвига (LLSVP) [7] и действительно движутся относительно друг друга. [8]
Текущая теория мантийного плюма заключается в том, что материал и энергия из недр Земли обмениваются с поверхностной корой двумя отдельными и в значительной степени независимыми конвективными потоками:
Гипотеза шлейфа была смоделирована в ходе лабораторных экспериментов в небольших резервуарах, заполненных жидкостью, в начале 1970-х годов. [11] Термические или композиционные флюидодинамические плюмы, образовавшиеся таким образом, были представлены как модели гораздо более крупных постулируемых мантийных плюмов. На основании этих экспериментов теперь постулируется, что мантийные плюмы состоят из двух частей: длинного тонкого канала, соединяющего вершину плюма с его основанием, и выпуклой головки, которая увеличивается в размерах по мере подъема плюма. Вся структура напоминает гриб. Выпуклая головка тепловых шлейфов образуется потому, что горячий материал движется вверх по каналу быстрее, чем сам шлейф поднимается через окружающую среду. В конце 1980-х и начале 1990-х эксперименты с тепловыми моделями показали, что по мере расширения выпуклой головы она может увлекать в себя часть прилегающей мантии.
Размер и возникновение грибовидных мантийных плюмов можно предсказать с помощью теории переходной нестабильности Тана и Торпа. [12] [13] Теория предсказывает грибовидные мантийные плюмы с головками диаметром около 2000 км, которые имеют критическое время (время от начала нагрева нижней мантии до образования плюма) около 830 миллионов лет для ядра. мантийный тепловой поток составляет 20 мВт/м 2 , а время цикла (время между событиями образования плюма) составляет около 2000 миллионов лет. [14] Число мантийных плюмов, по прогнозам, составит около 17.
Когда голова плюма сталкивается с основанием литосферы, ожидается, что она выровняется по этому барьеру и подвергнется широкомасштабному декомпрессионному плавлению с образованием больших объемов базальтовой магмы. Затем он может вырваться на поверхность. Численное моделирование предсказывает, что таяние и извержение будут происходить в течение нескольких миллионов лет. [15] Эти извержения связаны с паводковыми базальтами , хотя многие из них извергаются в гораздо более короткие сроки (менее 1 миллиона лет). Примеры включают ловушки Декана в Индии, сибирские ловушки в Азии, базальты/долериты Кару-Феррар в Южной Африке и Антарктиде, ловушки Парана и Этендека в Южной Америке и Африке (ранее единая провинция, разделенная открытием южной части Атлантического океана). ) и базальты реки Колумбия в Северной Америке. Потопные базальты в океанах известны как океанические плато и включают плато Онтонг-Ява в западной части Тихого океана и плато Кергелен в Индийском океане.
Узкий вертикальный канал, который, как предполагается, соединяет голову плюма с границей ядро-мантия, рассматривается как обеспечивающий непрерывную подачу магмы в горячую точку. Поскольку вышележащая тектоническая плита движется над этой горячей точкой, ожидается, что извержение магмы из фиксированного шлейфа на поверхность сформирует цепочку вулканов, которая будет двигаться параллельно движению плит. [16] Цепь Гавайских островов в Тихом океане является архетипическим примером. Недавно было обнаружено, что вулканическое местоположение этой цепи не было зафиксировано с течением времени, и, таким образом, она присоединилась к клубу многих типовых примеров, которые не демонстрируют первоначально предложенную ключевую характеристику. [17]
Извержение базальтов континентальных паводков часто связано с континентальным рифтингом и распадом. Это привело к гипотезе о том, что мантийные плюмы способствуют континентальному рифту и образованию океанических бассейнов.
Химический и изотопный состав базальтов, обнаруженных в горячих точках, незначительно отличается от базальтов срединно-океанических хребтов. [19] Эти базальты, также называемые базальтами океанских островов (OIB), анализируются на предмет их радиогенного и стабильного изотопного состава. В радиогенных изотопных системах первоначально субдуцированный материал создает расходящиеся тенденции, называемые компонентами мантии. [20] Идентифицированные компоненты мантии: DMM (обедненная мантия из базальтового срединно-океанического хребта (MORB), HIMU (мантия с высоким соотношением U/Pb), EM1 (обогащенная мантия 1), EM2 (обогащенная мантия 2) и FOZO (зона фокуса). ). [21] [22] Эта геохимическая подпись возникает в результате смешивания приповерхностных материалов, таких как субдуцированные плиты и континентальные отложения, в мантийном источнике. Есть две конкурирующие интерпретации этого. В контексте мантийных плюмов постулируется, что приповерхностный материал был перенесен вниз к границе ядра и мантии посредством субдуцирующих плит и перенесен обратно на поверхность плюмами. В контексте гипотезы Плит субдуцированный материал в основном повторно циркулирует в неглубокой мантии и извлекается оттуда вулканами.
Стабильные изотопы, такие как Fe, используются для отслеживания процессов, которые происходят в поднимающемся материале во время плавления. [23]
Обработка океанической коры, литосферы и осадков через зону субдукции отделяет водорастворимые микроэлементы (например, K, Rb, Th) от неподвижных микроэлементов (например, Ti, Nb, Ta), концентрируя неподвижные элементы в океаническая плита (водорастворимые элементы добавляются в земную кору островодужных вулканов). Сейсмическая томография показывает, что субдуцированные океанические плиты погружаются до дна мантийной переходной зоны на глубину 650 км. Субдукция на большие глубины менее очевидна, но есть свидетельства того, что они могут опускаться на глубины средней нижней мантии на глубине около 1500 км.
Предполагается, что источником мантийных плюмов является граница ядра и мантии на глубине 3000 км. [24] Поскольку перенос материала через границу ядро-мантия незначителен, передача тепла должна происходить за счет проводимости с адиабатическим градиентом выше и ниже этой границы. Граница ядро-мантия представляет собой сильный термический (температурный) разрыв. Температура ядра примерно на 1000 градусов по Цельсию выше, чем температура вышележащей мантии. Предполагается, что плюмы будут подниматься по мере того, как основание мантии становится более горячим и плавучим.
Предполагается, что плюмы поднимаются через мантию и начинают частично плавиться при достижении небольших глубин астеносферы в результате декомпрессионного плавления . Это создаст большие объемы магмы. Этот расплав поднимается на поверхность и извергается, образуя горячие точки.
Самый заметный термический контраст, существующий в глубокой (1000 км) мантии, наблюдается на границе ядра и мантии на высоте 2900 км. Первоначально предполагалось, что мантийные плюмы поднимаются из этого слоя, поскольку считалось, что горячие точки, которые, как предполагается, являются их поверхностным выражением, неподвижны относительно друг друга. Для этого требовалось, чтобы шлейфы образовывались из-под мелкой астеносферы, которая, как считается, быстро течет в ответ на движение вышележащих тектонических плит. В глубинах Земли нет другого известного крупного теплового пограничного слоя, поэтому граница ядро-мантия была единственным кандидатом.
Основание мантии известно как слой D″ , сейсмологическое подразделение Земли. По составу он, по-видимому, отличается от вышележащей мантии и может содержать частичный расплав.
Две очень широкие и крупные провинции с низкими скоростями сдвига существуют в нижней мантии под Африкой и под центральной частью Тихого океана. Постулируется, что шлейфы поднимаются от их поверхности или по краям. [26] Считалось, что их низкие сейсмические скорости позволяют предположить, что они относительно горячие, хотя недавно было показано, что их низкие скорости волн обусловлены высокой плотностью, вызванной химической неоднородностью. [27] [28]
Некоторые общие и основные доказательства, приводимые в поддержку теории, — это линейные вулканические цепи, благородные газы , геофизические аномалии и геохимия .
Прогрессирующее с возрастом распределение цепи подводных гор Гавайи-Император было объяснено тем, что фиксированный глубокомантийный плюм поднимается в верхнюю мантию, частично тает и вызывает образование вулканической цепи по мере движения плиты над головой относительно фиксированный источник шлейфа. [24] Другие горячие точки с прогрессирующими во времени вулканическими цепями позади них включают Реюньон , хребет Чагос-Лаккадив , хребет Луисвилл , девяносто восточный хребет и Кергелен , Тристан и Йеллоустон .
Хотя есть свидетельства того, что перечисленные выше цепи прогрессивны во времени, было показано, что они не фиксированы друг относительно друга. Самым замечательным примером этого является Императорская цепь, старая часть Гавайской системы, которая образовалась в результате миграции горячей точки в дополнение к движению плит. [29] Другой пример – Канарские острова на северо-востоке Африки в Атлантическом океане. [30] [31]
Гелий-3 — первичный изотоп, образовавшийся в результате Большого взрыва . Производится очень мало, и с тех пор мало что было добавлено на Землю в результате других процессов. [32] Гелий-4 включает в себя первичный компонент, но он также образуется в результате естественного радиоактивного распада таких элементов, как уран и торий . Со временем гелий из верхних слоев атмосферы теряется в космосе. Таким образом, Земля постепенно обедняется гелием, и 3 He не замещается так, как 4 He. В результате соотношение 3 He/ 4 He в Земле со временем уменьшилось.
Необычно высокие концентрации 3 He/ 4 He наблюдались в некоторых, но не во всех горячих точках. Это объясняется тем, что плюмы проникают в глубокий первичный резервуар в нижней мантии, где первоначальные высокие соотношения 3 He/ 4 He сохранились на протяжении геологического времени. [33]
Предполагается , что другие элементы, например осмий , являются индикаторами материала, возникающего вблизи ядра Земли, в базальтах океанических островов. Однако убедительных доказательств этого пока нет. [34]
Гипотеза плюмов была проверена путем поиска геофизических аномалий, которые, по прогнозам, могут быть с ними связаны. К ним относятся термические, сейсмические и высотные аномалии. Термические аномалии присущи термину «горячая точка». Их можно измерить множеством различных способов, включая поверхностный тепловой поток, петрологию и сейсмологию. Термические аномалии вызывают аномалии скорости сейсмических волн, но, к сожалению, то же самое происходит с составом и частичным плавлением. В результате скорость волн нельзя использовать просто и непосредственно для измерения температуры, необходимо использовать более сложные подходы.
Сейсмические аномалии выявляются путем картирования изменений скорости волн по мере прохождения сейсмических волн через Землю. Прогнозируется, что горячий мантийный шлейф будет иметь более низкие скорости сейсмических волн по сравнению с аналогичным материалом при более низкой температуре. Мантийный материал, содержащий следы частичного расплава (например, из-за более низкой температуры плавления) или более богатый железом, также имеет более низкую скорость сейсмических волн, и эти эффекты сильнее температуры. Таким образом, хотя необычно низкие скорости волн были приняты за указание на аномально горячую мантию под горячими точками, эта интерпретация неоднозначна. [35] Наиболее часто цитируемые изображения скорости сейсмических волн, которые используются для поиска изменений в регионах, где были предложены шлейфы, получены с помощью сейсмической томографии. Этот метод предполагает использование сети сейсмометров для построения трехмерных изображений изменения скорости сейсмических волн по всей мантии. [36]
Сейсмические волны , генерируемые сильными землетрясениями, позволяют определять структуру под поверхностью Земли по траектории луча. Сейсмические волны, прошедшие тысячу и более километров (также называемые телесейсмическими волнами ), можно использовать для изображения больших областей мантии Земли. Однако они также имеют ограниченное разрешение, и можно обнаружить только структуры диаметром не менее нескольких сотен километров.
Изображения сейсмической томографии были названы доказательством наличия ряда мантийных плюмов в мантии Земли. [37] Однако в настоящее время активно обсуждается вопрос о том, достоверно ли изображены структуры и соответствуют ли они колоннам горячей поднимающейся породы. [38]
Гипотеза мантийных плюмов предсказывает, что купольные топографические поднятия будут развиваться, когда головки плюмов соприкасаются с основанием литосферы. Поднятие такого рода произошло, когда около 54 миллионов лет назад открылась северная часть Атлантического океана. Некоторые ученые связывают это с мантийным шлейфом, который, как предполагается, вызвал распад Евразии и открытие Северной Атлантики, которая, как теперь предполагается, лежит в основе Исландии . Однако текущие исследования показали, что временная история поднятия, вероятно, намного короче, чем прогнозировалось. Таким образом, неясно, насколько сильно это наблюдение подтверждает гипотезу мантийного плюма.
Базальты, обнаруженные на океанических островах, геохимически отличаются от базальтов срединно-океанических хребтов (MORB). Базальт океанских островов (OIB) более разнообразен по составу, чем MORB, и подавляющее большинство океанских островов состоят из щелочного базальта , обогащенного натрием и калием по сравнению с MORB. Более крупные острова, такие как Гавайи или Исландия, в основном состоят из толеитового базальта, причем щелочной базальт встречается только на поздних стадиях их развития, но этот толеитовый базальт химически отличается от толеитового базальта срединно-океанических хребтов. OIB имеет тенденцию быть более обогащенным магнием, а как щелочные, так и толеитовые OIB обогащены следами несовместимых элементов , при этом легкие редкоземельные элементы демонстрируют особое обогащение по сравнению с более тяжелыми редкоземельными элементами. Соотношения стабильных изотопов элементов стронций , неодим , гафний , свинец и осмий демонстрируют большие различия по сравнению с MORB, что объясняется смешением по крайней мере трех мантийных компонентов: HIMU с высокой долей радиогенного свинца, образующегося в результате распада урана. и другие тяжелые радиоактивные элементы; ЭМ1 с меньшим обогащением радиогенным свинцом; и EM2 с высоким соотношением 87 Sr/ 86 Sr. Гелий в OIB демонстрирует более широкий разброс соотношения 3 He/ 4 He, чем MORB, причем некоторые значения приближаются к исходному значению. [39]
Состав базальтов океанических островов объясняется наличием отчетливых мантийных химических резервуаров, образовавшихся в результате субдукции океанической коры. К ним относятся резервуары, соответствующие HUIMU, EM1 и EM2. Предполагается, что эти резервуары имеют разный состав основных элементов, что основано на корреляции между составом основных элементов OIB и соотношением их стабильных изотопов. Толеитовый OIB интерпретируется как продукт более высокой степени частичного плавления в особенно горячих плюмах, тогда как щелочной OIB интерпретируется как продукт более низкой степени частичного плавления в меньших и более холодных плюмах. [39]
В 2015 году на основе данных о 273 крупных землетрясениях исследователи составили модель, основанную на полноволновой томографии, требующую эквивалент 3 миллионов часов суперкомпьютерного времени. [40] Из-за вычислительных ограничений, высокочастотные данные по-прежнему не могли быть использованы, а сейсмические данные оставались недоступными на большей части морского дна. [40] Тем не менее, вертикальные шлейфы, на 400 градусов горячее, чем окружающие скалы, были визуализированы под многими горячими точками, включая горячие точки Питкэрна , Макдональда , Самоа , Таити , Маркизских островов , Галапагосских островов , Кабо-Верде и горячих точек Канарских островов . [41] Они простирались почти вертикально от границы ядро-мантия (глубина 2900 км) до возможного слоя сдвига и изгиба на глубине 1000 км. [40] Их удалось обнаружить, поскольку их ширина составляла 600–800 км, что более чем в три раза превышает ширину, ожидаемую от современных моделей. [40] Многие из этих шлейфов находятся в крупных провинциях с низкой скоростью сдвига под Африкой и Тихим океаном, в то время как некоторые другие горячие точки, такие как Йеллоустон, были менее явно связаны с особенностями мантии в модели. [42]
Неожиданный размер шлейфов оставляет возможность того, что они могут проводить большую часть 44 тераватт внутреннего теплового потока Земли от ядра к поверхности, а это означает, что нижняя мантия конвектирует меньше, чем ожидалось, если вообще проводит. Возможно, существует разница в составе плюмов и окружающей мантии, которая их замедляет и расширяет. [40]
Мантийные плюмы были предложены в качестве источника паводковых базальтов . [44] [45] Эти чрезвычайно быстрые и крупномасштабные извержения базальтовой магмы периодически образовывали континентальные базальтовые провинции на суше и океанические плато в океанских бассейнах, такие как Деканские траппы , [46] Сибирские траппы , [47] Кару . -Феррарные трапповые базальты Гондваны [48] и крупнейший из известных континентальных трапповых базальтов Центрально-Атлантической магматической провинции (CAMP). [49]
Многие континентальные паводковые события совпадают с континентальным рифтингом. [50] Это согласуется с системой, которая стремится к равновесию: когда вещество поднимается в мантийном плюме, другой материал втягивается в мантию, вызывая рифтинг. [50]
Параллельно с моделью мантийного плюма рассматривались два альтернативных объяснения наблюдаемых явлений: гипотеза плит и гипотеза удара.
Начиная с начала 2000-х годов, неудовлетворенность состоянием доказательств существования мантийных плюмов и распространение специальных гипотез побудили ряд геологов во главе с Доном Л. Андерсоном , Джиллиан Фулджер и Уорреном Б. Гамильтоном предложить широкую альтернативу. основаны на неглубоких процессах в верхней мантии и выше с акцентом на тектонике плит как движущей силе магматизма. [51]
Гипотеза плит предполагает, что «аномальный» вулканизм возникает в результате расширения литосферы, которое позволяет расплаву пассивно подниматься из астеносферы под ней. Таким образом, это концептуальная противоположность гипотезы плюма, поскольку гипотеза плит объясняет вулканизм неглубокими, приповерхностными процессами, связанными с тектоникой плит, а не активными процессами, возникающими на границе ядра и мантии.
Расширение литосферы связано с процессами, связанными с тектоникой плит. Эти процессы хорошо изучены на срединно-океанических хребтах, где происходит большая часть вулканической активности Земли. Реже признается, что сами плиты деформируются внутри и могут привести к вулканизму в тех регионах, где деформация носит продольный характер. Хорошо известными примерами являются провинция Бассейнов и хребтов на западе США, Восточно-Африканская рифтовая долина и Рейнский Грабен . Согласно этой гипотезе, переменные объемы магмы объясняются изменениями в химическом составе (большие объемы вулканизма соответствуют более легко плавящемуся мантийному материалу), а не разнице температур.
Не отрицая наличия глубокой мантийной конвекции и апвеллинга в целом, гипотеза плит утверждает, что эти процессы не приводят к образованию мантийных плюмов в смысле столбчатых вертикальных структур, охватывающих большую часть мантии Земли, переносящих большое количество тепла и способствуют поверхностному вулканизму. [35] : 277
В рамках гипотезы плит выделяются следующие подпроцессы, каждый из которых может способствовать возникновению поверхностного вулканизма: [35]
В дополнение к этим процессам известно, что такие ударные события , как образование кратера Аддамс на Венере и магматического комплекса Садбери в Канаде, вызвали таяние и вулканизм. В гипотезе удара предполагается, что некоторые регионы горячего точечного вулканизма могут быть вызваны определенными крупными океаническими ударами, которые способны проникать через более тонкую океаническую литосферу , а паводковый базальтовый вулканизм может быть вызван сходящейся сейсмической энергией, сфокусированной в противоположной точке. напротив основных мест ударов. [52] Ударный вулканизм не был должным образом изучен и представляет собой отдельную причинную категорию земного вулканизма с последствиями для изучения горячих точек и тектоники плит.
В 1997 году с помощью сейсмической томографии стало возможным отображать погружающиеся тектонические плиты, проникающие от поверхности до границы ядра и мантии. [53]
Для горячей точки на Гавайях долгопериодная сейсмическая дифракционная томография объемных волн предоставила доказательства того, что за это ответственен мантийный плюм, как это было предложено еще в 1971 году . Модель плюма, как заключил Джеймс и др., «мы предпочитаем плюм нижней мантии как источник горячей точки Йеллоустона». [55] [56] Данные, полученные с помощью Earthscope , программы, собирающей сейсмические данные высокого разрешения на всей прилегающей территории Соединенных Штатов, ускорили признание шлейфа, лежащего под Йеллоустоуном. [57] [58]
Хотя, таким образом, существуют убедительные доказательства того, что, по крайней мере, эти два глубоких мантийных плюма поднимаются от границы ядро-мантия, подтверждение того, что другие гипотезы могут быть отвергнуты, может потребовать аналогичных томографических доказательств для других горячих точек.
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )