Теория плит — это модель вулканизма , которая приписывает всю вулканическую активность на Земле, даже ту, которая на первый взгляд кажется аномальной, действию тектоники плит . Согласно теории плит, основной причиной вулканизма является расширение литосферы . Расширение литосферы является функцией поля напряжений литосферы . Глобальное распределение вулканической активности в данный момент времени отражает современное поле напряжений литосферы, а изменения в пространственном и временном распределении вулканов отражают изменения в поле напряжений. Основными факторами, определяющими эволюцию поля напряжений, являются:
Расширение литосферы позволяет ранее существовавшему расплаву в коре и мантии выходить на поверхность. Если расширение сильное и утончает литосферу до такой степени, что астеносфера поднимается, то дополнительный расплав образуется в результате декомпрессионного подъема.
Разработанная в конце 1960-х и 1970-х годов, тектоника плит дала элегантное объяснение большей части вулканической активности Земли. На границах распространения, где плиты расходятся, астеносфера декомпрессируется и плавится, образуя новую океаническую кору . В зонах субдукции плиты океанической коры погружаются в мантию, дегидратируются и выделяют летучие вещества , которые понижают температуру плавления и приводят к образованию вулканических дуг и задуговых расширений. Однако несколько вулканических провинций не вписываются в эту простую картину и традиционно считались исключительными случаями, требующими не-плитно-тектонического объяснения.
Незадолго до развития тектоники плит в начале 1960-х годов канадский геофизик Джон Тузо Уилсон предположил, что цепи вулканических островов образуются в результате движения морского дна над относительно неподвижными горячими точками в стабильных центрах конвективных ячеек мантии. [2] В начале 1970-х годов идея Уилсона была возрождена американским геофизиком У. Джейсоном Морганом . Чтобы объяснить долгоживущую поставку магмы, которая, по-видимому, требовалась некоторым вулканическим регионам, Морган изменил гипотезу, сместив источник в тепловой пограничный слой . Из-за предполагаемой неподвижности некоторых вулканических источников относительно плит он предположил, что эта тепловая граница находится глубже, чем конвектирующая верхняя мантия, по которой движутся плиты, и расположил ее на границе ядро-мантия , на глубине 3000 км под поверхностью. Он предположил, что узкие конвекционные потоки поднимаются из фиксированных точек на этой тепловой границе и образуют каналы, которые транспортируют аномально горячий материал к поверхности. [3] [4]
Эта теория мантийного плюма стала доминирующим объяснением очевидных вулканических аномалий на оставшуюся часть 20-го века. [5] [6] Однако проверка этой гипотезы сопряжена с трудностями. Центральным положением теории плюма является то, что источник расплава значительно горячее окружающей мантии, поэтому наиболее прямой проверкой является измерение температуры источника магм. Это сложно, поскольку петрогенезис магм чрезвычайно сложен, что делает выводы из петрологии или геохимии о температурах источника ненадежными. [7] Сейсмические данные, используемые для предоставления дополнительных ограничений на температуры источника, весьма неоднозначны. [8] В дополнение к этому, несколько предсказаний теории плюма оказались безуспешными во многих местах, предположительно подстилаемых мантийными плюмами, [9] [7] и также есть существенные теоретические причины сомневаться в этой гипотезе. [10] [11]
Вышеуказанные проблемы вдохновили растущее число геофизиков во главе с американским геофизиком Доном Л. Андерсоном и британским геофизиком Джиллиан Р. Фоулджер на поиск других объяснений вулканической активности, которые нелегко объяснить тектоникой плит. Вместо того, чтобы вводить еще одну постороннюю теорию, эти объяснения по сути расширяют сферу тектоники плит способами, которые могут вместить вулканическую активность, ранее считавшуюся находящейся за пределами ее компетенции. Ключевым изменением базовой модели тектоники плит здесь является ослабление предположения о том, что плиты жесткие. Это подразумевает, что расширение литосферы происходит не только на границах распространения плит, но и во внутренних частях плит, явление, которое хорошо поддерживается как теоретически, так и эмпирически. [12] [13]
За последние два десятилетия теория плит превратилась в целостную исследовательскую программу, привлекающую множество приверженцев и занимающую исследователей в нескольких поддисциплинах наук о Земле . Она также была в центре внимания нескольких международных конференций и многих рецензируемых статей и является предметом двух крупных томов, отредактированных Геологическим обществом Америки [14] [15] и учебника. [7]
Расширение литосферы в глобальном масштабе является необходимым следствием незамкнутости цепей движения плит и эквивалентно дополнительной медленно расширяющейся границе. Расширение является результатом в основном следующих трех процессов.
Расширение, являющееся результатом этих процессов, проявляется в различных структурах, включая континентальные рифтовые зоны (например, Восточно-Африканский рифт ), диффузные границы океанических плит (например, Исландия ), [16] [17] континентальные задуговые области растяжения (например, Провинция Бассейнов и Хребтов на западе США ), океанические задуговые бассейны (например, бассейн Мануса в море Бисмарка у берегов Папуа-Новой Гвинеи ), передовые дуговые регионы (например, западная часть Тихого океана) [18] и континентальные регионы, подвергающиеся литосферному расслоению (например, Новая Зеландия ). [19]
Континентальный раскол начинается с рифтинга. Когда расширение постоянно и полностью компенсируется магмой из астеносферного апвеллинга, образуется океаническая кора, и рифт становится границей спрединга плит. Если расширение изолировано и эфемерно, оно классифицируется как внутриплитное. Рифтинг может происходить как в океанической, так и в континентальной коре и варьируется от незначительного до количества, приближающегося к наблюдаемому на границах спрединга. Все это может привести к магматизму. [20]
Различные стили растяжения наблюдаются в северо-восточной части Атлантического океана. Континентальный рифтинг начался в позднем палеозое и сопровождался катастрофической дестабилизацией в позднем мелу и раннем палеоцене . Последнее, возможно, было вызвано откатом альпийской плиты, что вызвало растяжение по всей Европе. Более серьезный рифтинг произошел вдоль Каледонского шва, зоны ранее существовавшей слабости, где океан Япетус закрылся около 420 млн лет назад . Поскольку растяжение стало локализованным, океаническая кора начала формироваться около 54 млн лет назад, при этом диффузное растяжение сохранялось вокруг Исландии. [21]
Некоторые внутриконтинентальные рифты по сути являются неудавшимися осями континентального распада, и некоторые из них образуют тройные стыки с границами плит. Восточно-Африканский рифт, например, образует тройное стык с Красным морем и Аденским заливом , оба из которых достигли стадии спрединга морского дна. Аналогично, Средне-Американский рифт представляет собой два рукава тройного стыка вместе с третьим, который отделил Амазонский кратон от Лаврентии около 1,1 млрд лет назад . [22]
Разнообразная вулканическая активность, вызванная расширением литосферы, наблюдалась на всей западной территории США. Каскадные вулканы — это задуговая вулканическая цепь, простирающаяся от Британской Колумбии до Северной Калифорнии . Задуговое расширение продолжается на восток в Провинции Бассейна и Хребта , с мелкомасштабным вулканизмом, распространенным по всему региону.
Тихоокеанская плита является крупнейшей тектонической плитой на Земле, покрывающей около трети поверхности Земли. Она подвергается значительному расширению и сдвиговой деформации из-за термического сжатия литосферы. Сдвиговая деформация наиболее выражена в районе между Самоа и Микроплитой Пасхи [23] , в районе, изобилующем вулканическими провинциями, такими как цепь Кука - Острал , Маркизские острова и острова Общества , архипелаг Туамоту , хребты Фука и Пукапука и остров Питкэрн .
Объем магмы, которая внедряется и/или извергается в заданной области литосферного расширения, зависит от двух переменных: (1) наличия уже существующего расплава в коре и мантии; и (2) количества дополнительного расплава, поставляемого декомпрессионным подъемом. Последнее зависит от трех факторов: (a) толщины литосферы; (b) величины расширения; и (c) плавкости и температуры источника.
В коре и мантии имеется обильный уже существующий расплав. В коре расплав хранится под действующими вулканами в неглубоких резервуарах, которые питаются более глубокими. В астеносфере небольшое количество частичного расплава, как полагают, обеспечивает слабый слой, который действует как смазка для движения тектонических плит. Наличие уже существующего расплава означает, что магматизм может происходить даже в областях, где литосферное расширение умеренное, таких как вулканические линии Камерун и Питкэрн - Гамбье . [20]
Скорость образования магмы от декомпрессии астеносферы зависит от того, насколько высоко может подняться астеносфера, что, в свою очередь, зависит от толщины литосферы. Из численного моделирования очевидно, что образование расплава в крупнейших базальтовых потоках не может быть одновременным с его внедрением. [24] Это означает, что расплав образуется в течение более длительного периода, хранится в резервуарах — скорее всего, расположенных на границе литосферы и астеносферы — и высвобождается при литосферном расширении. То, что большие объемы магмы хранятся в основании литосферы, доказано в наблюдениях за крупными магматическими провинциями, такими как Великая Дайка в Зимбабве и Бушвельдский магматический комплекс в Южной Африке . Там толстая литосфера оставалась нетронутой во время крупномасштабного магматизма, поэтому декомпрессионный подъем в требуемом масштабе можно исключить, подразумевая, что большие объемы магмы должны были существовать заранее. [25]
Если расширение сильное и приводит к значительному утончению литосферы, астеносфера может подняться на небольшие глубины, вызывая декомпрессионное плавление и производя большие объемы расплава. В срединно-океанических хребтах, где литосфера тонкая, декомпрессионный апвеллинг производит умеренную скорость магматизма. Тот же процесс может также производить магматизм небольшого объема на медленно расширяющихся континентальных рифтах или вблизи них. Под континентами литосфера имеет толщину до 200 км. Если литосфера такой толщины подвергается сильному и постоянному расширению, она может разорваться, и астеносфера может подняться на поверхность, производя десятки миллионов кубических километров расплава вдоль осей длиной в сотни километров. Это произошло, например, во время открытия северной части Атлантического океана, когда астеносфера поднялась от основания пангейской литосферы к поверхности. [20]
Подавляющее большинство вулканических провинций, которые считаются аномальными в контексте жесткой тектоники плит, теперь объяснены с помощью теории плит. [15] [14] Типичными примерами такого рода вулканической активности являются Исландия , Йеллоустоун и Гавайи . Исландия является типовым примером вулканической аномалии, расположенной на границе плит. Йеллоустоун, вместе с Восточной равниной реки Снейк на западе, является типовым примером внутриконтинентальной вулканической аномалии. Гавайи, вместе с связанной с ними цепью подводных гор Гавайско-Император , являются типовым примером внутриокеанической вулканической аномалии. [7]
Исландия — базальтовый щит высотой 1 км и размерами 450x300 км на срединно-океаническом хребте в северо-восточной части Атлантического океана. Он включает в себя более 100 активных или потухших вулканов и уже несколько десятилетий активно изучается учеными, изучающими Землю.
Исландию следует понимать в контексте более широкой структуры и тектонической истории северо-восточной Атлантики . Северо-восточная Атлантика образовалась в раннем кайнозое , когда после обширного периода рифтинга Гренландия отделилась от Евразии , когда Пангея начала распадаться. К северу от нынешнего местоположения Исландии ось раскола распространилась на юг вдоль Каледонского шва. К югу ось раскола распространилась на север. Две оси были разделены примерно на 100 км с востока на запад и на 300 км с севера на юг. Когда две оси развились до полного спрединга морского дна, континентальная область размером 100x300 км между двумя рифтами образовала микроконтинент Исландия , который претерпел диффузное расширение и сдвиг вдоль нескольких ориентированных на север рифтовых осей, а базальтовые лавы были размещены в и на растянутой континентальной коре. Этот стиль расширения сохраняется в параллельных рифтовых зонах, которые часто исчезают и заменяются новыми. [17]
Эта модель объясняет несколько отличительных характеристик региона:
Йеллоустоун и Восточная равнина реки Снейк на западе образуют пояс крупных кремниевых вулканов-кальдер, которые постепенно молодеют к востоку, достигая кульминации в нынешней активной Йеллоустонской кальдере на северо-западе Вайоминга . Однако пояс покрыт базальтовыми лавами, которые не демонстрируют никакой временной прогрессии. Будучи расположенным на континентальной внутренней части, он был широко изучен, хотя исследования в основном состояли из сейсмологии и геохимии, направленных на обнаружение источников глубоко в мантии. Эти методы не подходят для разработки теории плит, которая утверждает, что вулканизм связан с процессами на небольших глубинах.
Как и в случае с Исландией, вулканизм в регионе Йеллоустоун-Восточная равнина реки Снейк должен рассматриваться в более широком тектоническом контексте. Тектоническая история западной части Соединенных Штатов находится под сильным влиянием субдукции Восточно-Тихоокеанского поднятия под Североамериканскую плиту, начавшейся около 17 млн лет назад. Изменение границы плиты с субдукции на сдвиг вызвало расширение через западную часть Соединенных Штатов. Это вызвало широко распространенный вулканизм, начавшийся с базальтовой группы реки Колумбия , которая изверглась через 250-километровую зону даек , которые расширили земную кору на несколько километров. Провинция Бассейн и Хребет затем образовалась посредством нормального сброса, вызывая рассеянный вулканизм с особенно обильными извержениями в трех зонах с востока на запад: вулканические зоны Йеллоустоун-Восточная равнина реки Снейк, Валлес и Сент-Джордж. По сравнению с другими, зона Йеллоустоун-Восточная равнина реки Снейк считается необычной из-за своей прогрессирующей во времени кремниевой вулканической цепи и поразительных геотермальных особенностей.
Кремниевый состав вулканов указывает на источник в нижней коре. Если вулканизм был результатом литосферного расширения, то расширение вдоль зоны Йеллоустоун-Восточная равнина реки Снейк должно было мигрировать с запада на восток в течение последних 17 миллионов лет. [27] Есть доказательства, что это так. Ускоренное движение по близлежащим нормальным разломам, которое указывает на расширение в провинции Бассейна и Хребта, мигрирует на восток одновременно с миграцией кремниевого вулканизма. Это подтверждается измерениями недавней деформации с помощью GPS-съемки, которая обнаруживает самые интенсивные зоны расширения в провинции Бассейна и Хребта на дальнем востоке и дальнем западе и небольшое расширение в центральных 500 км. [28] Таким образом, зона Йеллоустоун-Восточная равнина реки Снейк, вероятно, отражает место расширения, которое мигрировало с запада на восток. [27] Это также подтверждается аналогичным кислым магматизмом, вызванным растяжением, в других местах на западе Соединенных Штатов, например, в Косо Хот Спрингс [29] и кальдере Лонг Вэлли [30] в Калифорнии.
Тот факт, что устойчивый базальтовый вулканизм является результатом одновременного расширения по всей длине зоны Йеллоустоун-Восточная равнина реки Снейк, подтверждается измерениями GPS, проведенными в период с 1987 по 2003 год, которые фиксируют расширение как на север, так и на юг зоны. [31] Свидетельства исторического расширения можно найти в северо-западно-ориентированных рифтовых зонах, питаемых дайками, ответственных за базальтовые потоки. [32] Аналогия с подобной вулканической активностью в Исландии и на срединно-океанических хребтах указывает на то, что периоды расширения кратковременны, и, таким образом, базальтовый вулканизм вдоль зоны Йеллоустоун-Восточная равнина реки Снейк происходит короткими всплесками активности между длительными периодами бездействия. [26]
Вулканическая система Гавайи-Император печально известна своей сложностью в изучении. Она находится в тысячах километров от любого крупного континентального массива суши и окружена глубоким океаном, очень малая ее часть находится над уровнем моря, и она покрыта толстым слоем базальта, который скрывает ее более глубокую структуру. Она расположена в пределах меловой магнитной спокойной зоны , относительно длительного периода нормальной полярности в магнитном поле Земли , поэтому возрастные изменения в литосфере трудно определить с точностью. Реконструкция тектонической истории Тихого океана в более общем плане проблематична, поскольку более ранние плиты и границы плит, включая спрединговый хребет, где начиналась цепь Императора, были субдуцированы. Из-за этих проблем геологам еще предстоит разработать полностью разработанную теорию происхождения системы, которая может быть положительно проверена.
Наблюдения, которые должна учитывать любая такая теория, включают:
Отсутствие какой-либо региональной аномалии теплового потока, обнаруженной вокруг вымерших островов и подводных гор, указывает на то, что вулканы являются локальными термическими образованиями. [35] Согласно теории плит, система Гавайско-Императорская образовалась в области растяжения Тихоокеанской плиты. Расширение плиты является следствием деформации на границах плит, теплового сжатия и изостатического регулирования. Расширение возникло в спрединговом хребте около 80 млн лет назад. Поле напряжений плиты развивалось в течение следующих 30 миллионов лет, в результате чего область растяжения и последующий вулканизм мигрировали на юго-юго-восток. Около 50 млн лет назад поле напряжений стабилизировалось, и область растяжения стала почти стационарной. В то же время северо-западное движение Тихоокеанской плиты усилилось, и в течение следующих 50 миллионов лет Гавайская цепь образовалась, когда плита двигалась через почти стационарную область растяжения. [20]
Возрастающая скорость вулканической активности в системе Гавайи-Император отражает доступность расплава в коре и мантии. Самые старые вулканы в цепи Императора образовались на молодой и, следовательно, тонкой океанической литосфере. Размер подводных гор увеличивается с возрастом морского дна, что указывает на то, что доступность расплава увеличивается с толщиной литосферы. Это говорит о том, что декомпрессионное плавление может вносить свой вклад, поскольку оно также, как ожидается, будет увеличиваться с толщиной литосферы. Значительное увеличение магматизма за последние 2 миллиона лет указывает на значительное увеличение доступности расплава, что подразумевает, что либо более крупный резервуар ранее существовавшего расплава, либо исключительно легкоплавкая область источника стали доступны. Петрологические и геохимические данные свидетельствуют о том, что этим источником может быть старая метаморфизованная океаническая кора в астеносфере, высокоплавкий материал, который мог бы производить гораздо большие объемы магмы, чем мантийные породы. [36] [37]
Представители этой теории считают, что главное достоинство теории плит заключается в том, что она расширяет тектонику плит до единого представления о вулканизме Земли, что избавляет от необходимости привлекать посторонние гипотезы, призванные приспособить случаи вулканической активности, которые на первый взгляд кажутся исключительными. [1] [38] [12] [13] [20]
Андерсон, ДЛ (2001). «Нисходящая тектоника». Science . 293 (5537): 2016–2018. doi :10.1126/science.1065448. PMID 11557870. S2CID 19972709.
Андерсон, ДЛ (2007). Новая теория Земли . Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-46208-2.
Кристиансен, Р. Л.; Фоулджер, Г. Р.; Эванс, Дж. Р. (2002). «Верхнемантийное происхождение Йеллоустонской горячей точки». Бюллетень GSA . 114 (10): 1245–1256. Bibcode : 2002GSAB..114.1245C. doi : 10.1130/0016-7606(2002)114<1245:UMOOTY>2.0.CO;2.
Foulger, GR (2007). «Модель „плиты“ для генезиса аномалий плавления». В Foulger, GR; Jurdy, DM (ред.). Плиты, плюмы и планетарные процессы: Геологическое общество Америки, специальный доклад 430. Геологическое общество Америки. стр. 1–28. ISBN 978-0-8137-2430-0.
Foulger, GR (2010). Плиты против плюмов: геологический спор . Oxford: Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4443-3679-5.
Foulger, GR (2020). "Теория плит вулканизма". MantlePlumes.org . Получено 10 декабря 2020 г. .
Foulger, GR (2021). «Теория плит для вулканизма». В Alderton, D.; Elias, SA (ред.). Энциклопедия геологии (второе изд.). Academic Press, Oxford. стр. 879–890. doi :10.1016/B978-0-08-102908-4.00105-3. ISBN 978-0-08-102909-1. S2CID 226685034.
Foulger, GR; Natland, JH (2003). «Является ли вулканизм «горячих точек» следствием тектоники плит?». Science . 300 (5621): 921–922. doi :10.1126/science.1083376. PMID 12738845. S2CID 44911298.
Гамильтон, У. Б. (2011). «Тектоника плит началась в неопротерозое, и плюмы из глубин мантии никогда не действовали». Литос . 123 (1–4): 1–20. Bibcode : 2011Litho.123....1H. doi : 10.1016/j.lithos.2010.12.007.
Иванов, А. (2007). «Оценка различных моделей происхождения сибирских траппов». В Foulger, G., GR; Jurdy, DM (ред.). Плиты, плюмы и планетарные процессы: Геологическое общество Америки , специальный доклад 430. Том 430. Геологическое общество Америки. стр. 669–692. doi :10.1130/2007.2430(31). ISBN 978-0-8137-2430-0.
Коренага, Дж. (2005). «Почему плато Онтонг-Ява не образовалось субаэрально?». Earth and Planetary Science Letters . 234 (3–4): 385–399. doi :10.1016/j.epsl.2005.03.011.
Lustrino, M. (2016). «(Более) пятидесяти оттенков перьев». В Calcaterra, D.; Mazzoli, S.; Petti, FM; Carmina, B.; Zuccari, A. (ред.). Науки о Земле на изменяющейся планете: учимся у прошлого, исследуем будущее. 88-й Национальный конгресс Итальянского геологического общества. Геологическое общество Италии. стр. 235. doi :10.13140/RG.2.2.10244.12165.
Meibom, A.; Anderson, DL; Sleep, NH; Frei, R.; Chamberlain, CP; Hren, MT; Wooden, JL (2003). «Являются ли высокие отношения 3He/4He в океанических базальтах индикатором компонентов плюма в глубинной мантии?». Earth and Planetary Science Letters . 208 (3–4): 197–204. Bibcode : 2003E&PSL.208..197M. doi : 10.1016/S0012-821X(03)00038-4.
Мур, А.; Бленкинсоп, Т.; Коттерилл, Ф. (2008). «Контроль над постгондванским щелочным вулканизмом в Южной Африке». Earth and Planetary Science Letters . 268 (1–2): 151–164. Bibcode : 2008E&PSL.268..151M. doi : 10.1016/j.epsl.2008.01.007.
Natland, JH; Winterer, EL (2005). "Контроль трещин при вулканической активности в Тихом океане". В Foulger, GR; Natland, JH; Presnall, DC; Anderson, DL (ред.). Плиты, плюмы и парадигмы: Специальный доклад Геологического общества Америки 388. Геологическое общество Америки. стр. 687–710. doi :10.1130/0-8137-2388-4.687. ISBN 978-0-8137-2388-4.
Niu, Y. (2009). «Некоторые основные концепции и проблемы петрогенезиса внутриплитных океанических островных базальтов». Chinese Science Bulletin . 54 (22): 4148–4160. Bibcode : 2009ChSBu..54.4148N. doi : 10.1007/s11434-009-0668-3. S2CID 55429423.
Peace, AL; Foulger, GR; Schiffer, C.; McCaffrey, KJW (2017). «Эволюция Лабрадорского моря и Баффинова залива: процессы, связанные с плитами или плюмами?». Geoscience Canada . 44 (3): 91–102. doi : 10.12789/geocanj.2017.44.120 .
Пресналл, Д.; Гудфиннссон, Г. (2011). «Океанический вулканизм из зоны низкой скорости – без мантийных плюмов». Журнал петрологии . 52 (7–8): 1533–1546. doi : 10.1093/petrology/egq093 .
Шет, ХК (2005). «Были ли базальты Деканского потока получены частично из древней океанической коры внутри индийской континентальной литосферы?». Gondwana Research . 8 (2): 109–127. Bibcode : 2005GondR...8..109S. doi : 10.1016/S1342-937X(05)71112-6.
Смит, А.Д.; Льюис, К. (1999). «Планета за пределами гипотезы шлейфа». Earth-Science Reviews . 48 (3): 135–182. Bibcode : 1999ESRv...48..135S. doi : 10.1016/S0012-8252(99)00049-5.
van Wijk, JW; Huismans, RS; Ter Voorde, M.; Cloetingh, SAPL (2001). «Образование расплава на вулканических континентальных окраинах: нет необходимости в мантийном плюме?». Geophysical Research Letters . 28 (20): 3995–3998. Bibcode : 2001GeoRL..28.3995V. doi : 10.1029/2000GL012848 .
Vogt, PR; Jung, WY. (2007). «Происхождение вулканов Бермудских островов и Бермудского поднятия: история, наблюдения, модели и головоломки». В Foulger, G., GR; Jurdy, DM (ред.). Плиты, плюмы и планетарные процессы: Специальный доклад Геологического общества Америки 430. Геологическое общество Америки. стр. 553–592. doi :10.1130/2007.2430(27). ISBN 978-0-8137-2430-0.