Гавайская горячая точка — это вулканическая горячая точка, расположенная недалеко от одноименных Гавайских островов , в северной части Тихого океана . Одна из самых известных и интенсивно изучаемых горячих точек в мире, [1] [2] Гавайский плюм ответственен за создание Гавайско-Императорской подводной горной цепи , 6200-километровой (3900 миль) в основном подводной вулканической горной цепи. Четыре из этих вулканов активны , два — спящие ; более 123 потухли , большинство из них в настоящее время сохранились как атоллы или подводные горы . Цепь простирается от юга острова Гавайи до края Алеутского желоба , недалеко от восточного побережья России .
В то время как большинство вулканов создаются геологической активностью на границах тектонических плит , горячая точка Гавайи расположена далеко от границ плит. Классическая теория горячих точек, впервые предложенная в 1963 году Джоном Тузо Уилсоном [ 3], предполагает, что один фиксированный мантийный плюм создает вулканы, которые затем, отрезанные от своего источника движением Тихоокеанской плиты , становятся все более неактивными и в конечном итоге разрушаются ниже уровня 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 нерегулярности привели к предложению теории подвижных горячих точек, предполагающей, что горячие точки подвижны, а не фиксированы, и что изгиб возрастом 47 миллионов лет был вызван сдвигом в движении горячей точки, а не плиты.
Древние гавайцы были первыми, кто осознал увеличивающийся возраст и выветренное состояние вулканов на севере по мере того, как они продвигались в рыболовных экспедициях вдоль островов. Изменчивое состояние гавайских вулканов и их постоянная борьба с морем были основным элементом гавайской мифологии , воплощенной в Пеле , божестве вулканов. После прибытия европейцев на остров в 1880–1881 годах Джеймс Дуайт Дана руководил первым формальным геологическим исследованием вулканов горячей точки, подтвердив связь, давно наблюдаемую туземцами. Гавайская вулканическая обсерватория была основана в 1912 году вулканологом Томасом Джаггаром , положив начало непрерывному научному наблюдению за островами. В 1970-х годах был начат проект по картированию, чтобы получить больше информации о сложной геологии морского дна Гавайев.
С тех пор горячая точка была томографически отображена, показав, что ее ширина составляет от 500 до 600 км (от 310 до 370 миль), а глубина — до 2000 км (1200 миль), а исследования на основе оливина и граната показали, что ее магматическая камера имеет температуру приблизительно 1500 °C (2730 °F). За не менее 85 миллионов лет своей активности горячая точка произвела приблизительно 750 000 км 3 (180 000 кубических миль) породы. Скорость дрейфа цепи медленно увеличивалась с течением времени, в результате чего количество времени активности каждого отдельного вулкана уменьшилось с 18 миллионов лет для подводной горы Детройт возрастом 76 миллионов лет до чуть менее 900 000 лет для Кохалы возрастом один миллион лет ; с другой стороны, объем извержения увеличился с 0,01 км 3 (0,002 куб. миль) в год до примерно 0,21 км 3 (0,050 куб. миль). В целом, это вызвало тенденцию к более активным, но быстро затихающим, близко расположенным вулканам — в то время как вулканы на ближней стороне горячей точки перекрывают друг друга (образуя такие суперструктуры, как остров Гавайи и древний Мауи-Нуи ), самые старые из подводных гор Императора находятся на расстоянии до 200 км (120 миль) друг от друга.
Тектонические плиты обычно фокусируют деформацию и вулканизм на границах плит . Однако горячая точка Гавайев находится более чем в 3200 километрах (1988 миль) от ближайшей границы плиты; [1] изучая ее в 1963 году, канадский геофизик Дж. Тузо Уилсон предложил теорию горячей точки для объяснения этих зон вулканизма, столь далеких от обычных условий, [3] теория, которая с тех пор получила широкое признание. [4]
Уилсон предположил, что мантийная конвекция производит небольшие, горячие, плавучие подъемы под поверхностью Земли; эти термически активные мантийные плюмы поставляют магму, которая, в свою очередь, поддерживает длительную вулканическую активность. Этот вулканизм «средней плиты» создает пики, которые поднимаются с относительно невыразительного морского дна, сначала как подводные горы , а затем как полноценные вулканические острова . Местная тектоническая плита (в случае горячей точки Гавайев, Тихоокеанская плита ) постепенно проходит над горячей точкой, унося с собой свои вулканы, не влияя на плюм. В течение сотен тысяч лет подача магмы для отдельного вулкана медленно прекращается, что в конечном итоге приводит к его угасанию. Не будучи достаточно активным, чтобы преодолеть эрозию, вулкан медленно отступает под волны, снова становясь подводной горой. По мере продолжения цикла новый вулканический центр пронзает кору, и вулканический остров возникает заново. Процесс продолжается до тех пор, пока сам мантийный плюм не разрушится. [1]
Этот цикл роста и покоя связывает вулканы в цепочки на протяжении миллионов лет, оставляя след из вулканических островов и подводных гор по всему дну океана. Согласно теории Уилсона, гавайские вулканы должны быть все старше и все больше подвергаться эрозии по мере удаления от горячей точки, и это легко заметить; самая старая порода на главных Гавайских островах, Кауаи , имеет возраст около 5,5 миллионов лет и сильно эродирована, в то время как порода на острове Гавайи сравнительно молодая, ее возраст составляет 0,7 миллиона лет или меньше, и новая лава постоянно извергается в Килауэа , нынешнем центре горячей точки. [1] [5] Другим следствием его теории является то, что длина и ориентация цепи служат для записи направления и скорости движения Тихоокеанской плиты . Главной особенностью Гавайского следа является «внезапный» изгиб на 60 градусов на участке его длины возрастом от 40 до 50 миллионов лет, и согласно теории Уилсона, это свидетельствует о значительном изменении направления плиты, которое могло бы инициировать субдукцию вдоль большей части западной границы Тихоокеанской плиты. [6] Эта часть теории недавно была подвергнута сомнению, и изгиб может быть приписан перемещению самой горячей точки. [7]
Геофизики полагают, что горячие точки возникают на одной из двух основных границ глубоко в Земле, либо на неглубокой границе в нижней мантии между конвективным слоем верхней мантии и нижним неконвективным слоем, либо на более глубоком слое D'' ("D double-prime") толщиной примерно 200 километров (120 миль) и непосредственно над границей ядро-мантия . [8] Мантийный плюм может инициироваться на границе, 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 как неустойчивость Рэлея-Тейлора . [8] Когда мантийный плюм достигает основания литосферы , плюм нагревает ее и производит расплав. Затем эта магма направляется к поверхности, 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 в следе горячей точки Макдональда , цепи подводных гор Острал-Маршалловы острова, расположенной чуть южнее; [11] другие горячие точки Тихого океана , следующие той же тенденции изменения возраста с юго-востока на северо-запад в фиксированных относительных положениях; [12] [13] и сейсмологические исследования Гавайев, которые показывают повышенные температуры на границе ядро-мантия, что свидетельствует о мантийном плюме. [14]
Другая гипотеза заключается 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 в рамках гипотезы неглубокого источника мантия, лежащая под ними, не является аномально горячей. В случае цепи подводных гор Гавайи-Император система границ Тихоокеанской плиты была совсем другой около 80 млн лет назад , когда начала формироваться цепь подводных гор Император. Есть доказательства того, что цепь началась на спрединговом хребте ( хребет Тихоокеанско-Кула ), который теперь субдуцирован в Алеутском желобе. [15] Очаг извлечения расплава мог мигрировать с хребта во внутреннюю часть плиты, оставляя за собой след вулканизма. Эта миграция могла произойти из-за того, 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 надежно интерпретированы как горячие подъемы глубинных вод, происходящие из нижней мантии. [16] [17]
Наиболее оспариваемым элементом теории Уилсона является то, действительно ли горячие точки фиксированы относительно вышележащих тектонических плит. Образцы бурения , собранные учеными еще в 1963 году, предполагают, что горячая точка могла дрейфовать с течением времени, с относительно высокой скоростью около 4 сантиметров (1,6 дюйма) в год в течение позднего мелового и раннего палеогенового периодов (81–47 млн лет назад); [18] для сравнения, Срединно-Атлантический хребет расширяется со скоростью 2,5 см (1,0 дюйм) 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 североамериканской и тихоокеанской плит, а не самой горячей точки. [19] [20]
В 2021 году исследователи предложили трехэтапную модель горячей точки Гавайев. [21] На первом этапе происходит взаимодействие хребтового плюма, при котором горячая точка Гавайев либо питает хребет Изанаги-Пасифик, либо хребет Кула-Пасифик. Этот период включал создание молодой океанической коры и формирование подводных гор Меджи и Детройт. На втором этапе происходили взаимные движения Тихоокеанской плиты и горячей точки Гавайев. Возможно, как подтверждается гравитационным моделированием, в течение этого периода горячая точка Гавайев дрейфовала примерно на 4-9 градусов к югу, в отличие от движения Тихоокеанской плиты на север. На третьем этапе продолжалось движение Тихоокеанской плиты со стагнацией горячей точки Гавайев. [21]
В 2001 году Программа океанического бурения (с тех пор объединенная в Интегрированную программу океанического бурения ), международное исследовательское усилие по изучению мирового морского дна, профинансировала двухмесячную экспедицию на борту исследовательского судна JOIDES Resolution для сбора образцов лавы с четырех затопленных подводных гор Император. В рамках проекта было пробурено подводные горы Детройт , Нинтоку и Коко , все из которых находятся на крайнем северо-западном конце цепи, самой старой секции. [22] [23] Затем эти образцы лавы были протестированы в 2003 году, что позволило предположить наличие подвижной Гавайской горячей точки и изменение ее движения как причину изгиба. [7] [24] Ведущий ученый Джон Тардуно рассказал National Geographic :
Гавайский изгиб был использован как классический пример того, как большая плита может быстро менять движение. Вы можете найти схему Гавайско-Императорского изгиба, включенную практически в каждый вводный учебник по геологии. Это действительно то, что бросается в глаза." [24]
Несмотря на большой сдвиг, изменение направления никогда не регистрировалось магнитными склонениями , ориентациями зон разломов или реконструкциями плит ; столкновение континентов также не могло произойти достаточно быстро, чтобы вызвать такой выраженный изгиб в 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 с помощью радиометрического датирования радиоактивных изотопов калия и аргона . Исследователи подсчитали, что вулканы образовались в период от 81 миллиона до 45 миллионов лет назад. Тардуно и его команда определили, где образовались вулканы, проанализировав породу на наличие магнитного минерала магнетита . Пока горячая лава от вулканического извержения остывает, крошечные зерна внутри магнетита выравниваются с магнитным полем Земли и фиксируются на месте, как только порода затвердевает. Исследователи смогли проверить широты, на которых образовались вулканы, измерив ориентацию зерен внутри магнетита. Палеомагнетики пришли к выводу, что Гавайская горячая точка в какой-то момент своей истории сместилась на юг, и что 47 миллионов лет назад движение горячей точки на юг значительно замедлилось, возможно, даже полностью прекратилось. [22] [24]
Возможность того, что Гавайские острова становились старше по мере продвижения на северо-запад, подозревалась древними гавайцами задолго до прибытия европейцев. Во время своих путешествий мореплаватели-гавайцы замечали различия в эрозии, формировании почвы и растительности, что позволило им сделать вывод, что острова на северо-западе ( Нихау и Кауаи ) были старше, чем на юго-востоке (Мауи и Гавайи). [1] Эта идея передавалась из поколения в поколение через легенду о Пеле , гавайской богине вулканов.
Пеле родилась от женского духа Хаумеа , или Хины , которая, как и все гавайские боги и богини, произошла от высших существ, Папы, или Матери Земли , и Вакеа , или Отца Неба . [26] : 63 [27] Согласно мифу, Пеле изначально жила на Кауаи, когда ее старшая сестра Намака , богиня моря, напала на нее за соблазнение ее мужа. Пеле бежала на юго-восток на остров Оаху. Когда Намака снова заставила ее бежать, Пеле 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 ее достичь. 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 самых ранних зарегистрированных наблюдателей вулканов были шотландские ученые Арчибальд Мензис в 1794 году, [28] Джеймс Макрей в 1825 году, [29] и Дэвид Дуглас в 1834 году. Даже просто достичь вершин оказалось непросто: Мензис предпринял три попытки подняться на Мауна-Лоа , а Дуглас погиб на склонах Мауна-Кеа . Исследовательская экспедиция Соединенных Штатов провела несколько месяцев, изучая острова в 1840–1841 годах. [30] Американский геолог Джеймс Дуайт Дана был в этой экспедиции, как и лейтенант Чарльз Уилкс , который провел большую часть времени, возглавляя команду из сотен человек, которые тащили маятник Катера на вершину Мауна-Лоа для измерения силы тяжести. Дана остался с миссионером Титусом Коаном , который предоставил десятилетия непосредственных наблюдений. [31] Дана опубликовал короткую статью в 1852 году . [32]
Дана продолжал интересоваться происхождением Гавайских островов и руководил более глубоким исследованием в 1880 и 1881 годах. Он подтвердил, что возраст островов увеличивался с их удалением от самого юго-восточного острова, наблюдая различия в степени их эрозии. Он также предположил, что многие другие цепи островов в Тихом океане показали аналогичное общее увеличение возраста с юго-востока на северо-запад. Дана пришел к выводу, что Гавайская цепь состояла из двух вулканических прядей, расположенных вдоль отдельных, но параллельных изогнутых путей. Он ввел термины «Лоа» и «Кеа» для двух выдающихся тенденций. Тенденция Кеа включает вулканы Килауэа , Мауна-Кеа , Кохала , Халеакала и Западный Мауи . Тенденция Лоа включает Лоихи , Мауна-Лоа , Хуалалаи , Кахоолаве , Ланаи и Западный Молокаи . Дана предположил, что выравнивание Гавайских островов отражает локализованную вулканическую активность вдоль крупной зоны трещин. Теория «великой трещины» Дана служила рабочей гипотезой для последующих исследований до середины 20-го века. [25]
Работа Даны была продолжена экспедицией геолога CE Даттона 1884 года , 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 потому, что Дана изначально считал Килауэа фланговым жерлом Мауна-Лоа, а Кохалу — частью Мауна-Кеа. Даттон также уточнил другие наблюдения Даны, и ему приписывают наименование лав типа «a'ā» и «pāhoehoe» , хотя Дана также отметил различие. Стимулируемый экспедицией Даттона, Дана вернулся в 1887 году и опубликовал множество отчетов о своей экспедиции в American Journal of Science . В 1890 году он опубликовал самую подробную рукопись того времени, которая оставалась окончательным руководством по гавайскому вулканизму на протяжении десятилетий. В 1909 году были опубликованы две основные книги о вулканах Гавайев ( «Вулканы Килауэа и Мауна-Лоа» У. Т. Бригама и «Гавайи и их вулканы» К. Хичкока). [33] : 154–155
В 1912 году геолог Томас Джаггар основал Гавайскую вулканическую обсерваторию . В 1919 году объект перешел под управление Национального управления океанических и атмосферных исследований , а в 1924 году — Геологической службы США (USGS), что ознаменовало начало непрерывного наблюдения за вулканами на острове Гавайи. Следующий век стал периодом тщательного исследования, отмеченного вкладом многих ведущих ученых. Первая полная эволюционная модель была впервые сформулирована в 1946 году геологом и гидрологом USGS Гарольдом Т. Стернсом. С тех пор достижения (например, улучшенные методы датирования горных пород и подводные вулканические стадии) позволили изучить ранее ограниченные области наблюдения. [33] : 157 [34]
В 1970-х годах морское дно Гавайев было нанесено на карту с помощью корабельного сонара . Вычисленные данные SYNBAPS (Synthetic Bathymetric Profiling System) [35] заполнили пробелы между батиметрическими измерениями корабельного сонара . [36] [37] С 1994 по 1998 год [38] Японское агентство по науке о море и Земле и технологиям (JAMSTEC) подробно картировало Гавайи и изучало его океанское дно, сделав его одним из наиболее изученных морских объектов в мире. Проект JAMSTEC, совместный с USGS и другими агентствами, использовал пилотируемые подводные аппараты , дистанционно управляемые подводные аппараты , образцы драг и образцы керна . [39] Многолучевая система бокового сканирования Simrad EM300 собирала данные батиметрии и обратного рассеяния . [38]
Горячая точка Гавайев была отображена с помощью сейсмической томографии и, по оценкам, имеет ширину 500–600 км (310–370 миль). [40] [41] Томографические изображения показывают тонкую зону низкой скорости, простирающуюся до глубины 1500 км (930 миль), соединяющуюся с большой зоной низкой скорости, простирающейся от глубины 2000 км (1200 миль) до границы ядро-мантия . Эти зоны низкой сейсмической скорости часто указывают на более горячий и более плавучий материал мантии, что согласуется с плюмом, возникающим в нижней мантии, и озером материала плюма в верхней мантии. Зона низкой скорости, связанная с источником плюма, находится к северу от Гавайев, показывая, что плюм наклонен в определенной степени, отклоненный к югу мантийным потоком. [42] Данные о неравновесности ряда распада урана показали, что активно текущая область зоны расплава имеет ширину 220 ± 40 км (137 ± 25 миль) у основания и 280 ± 40 км (174 ± 25 миль) в верхней мантии, что согласуется с томографическими измерениями. [43]
Косвенные исследования показали, что магматическая камера расположена примерно в 90–100 километрах (56–62 мили) под землей, что соответствует предполагаемой глубине залегания 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 найдена двумя способами: путем проверки точки плавления граната в лаве и путем корректировки лавы для ухудшения оливина . Оба теста USGS, похоже, подтверждают температуру около 1500 °C (2730 °F); для сравнения, предполагаемая температура для базальта срединно-океанического хребта составляет около 1325 °C (2417 °F). [44]
Аномалия поверхностного теплового потока вокруг Гавайского выступа составляет всего лишь порядка 10 мВт/м 2 , [45] [46] что намного меньше, чем диапазон континентальных Соединенных Штатов в 25–150 мВт/м 2 . [47] Это неожиданно для классической модели горячего, плавучего плюма в мантии. Однако было показано, что другие плюмы демонстрируют весьма изменчивые поверхностные тепловые потоки и что эта изменчивость может быть вызвана изменчивым гидротермальным потоком жидкости в земной коре над горячими точками. Этот поток жидкости адвективно удаляет тепло из коры, и измеренный кондуктивный тепловой поток, следовательно, ниже, чем истинный общий поверхностный тепловой поток. [46] Низкая температура в районе Гавайского свода указывает на то, что он не поддерживается плавучей корой или верхней литосферой, а скорее поддерживается поднимающимся 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 цепи Императора. [25] Палеомагнитные исследования подтверждают этот вывод, основанный на изменениях магнитного поля Земли , картина которого была запечатлена в породах во время их затвердевания, [48] показывая, что эти подводные горы образовались на более высоких широтах, чем современные Гавайи. До изгиба горячая точка смещалась 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 бурения в океане предоставила большую часть современных знаний о дрейфе. Экспедиция 2001 года [49] пробурила шесть подводных гор и протестировала образцы, чтобы определить их первоначальную широту, а значит, и характеристики и скорость дрейфа горячей точки в целом. [50]
Каждый последующий вулкан проводит меньше времени, активно прикрепляясь к струе. Большая разница между самой молодой и самой старой лавой между вулканами Император и Гавайи указывает на то, что скорость горячей точки увеличивается. Например, Кохала, самый старый вулкан на острове Гавайи, имеет возраст один миллион лет и последний раз извергался 120 000 лет назад, период чуть менее 900 000 лет; тогда как один из самых старых, Детройтская подводная гора, испытала 18 миллионов или более лет вулканической активности. [23]
Самый старый вулкан в цепи, подводная гора Мэйдзи, расположенная на краю Алеутской впадины , образовалась 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 все более старые подводные горы с тех пор были разрушены краем плиты. Также возможно, что столкновение вблизи Алеутской впадины изменило скорость Тихоокеанской плиты, что объясняет изгиб цепи горячих точек; взаимосвязь между этими особенностями все еще изучается. [25] [52]
Состав магмы вулканов значительно изменился согласно анализу элементных соотношений стронция – ниобия – палладия . Императорские подводные горы были активны в течение по крайней мере 46 миллионов лет, причем самая старая лава датируется меловым периодом , за которым последовали еще 39 миллионов лет активности вдоль гавайского сегмента цепи, что в общей сложности составило 85 миллионов лет. Данные демонстрируют вертикальную изменчивость количества стронция, присутствующего как в щелочной (ранние стадии), так и в толеитовой (более поздние стадии) лаве. Систематическое увеличение резко замедляется во время изгиба. [51]
Почти вся магма, созданная горячей точкой, представляет собой магматический базальт ; вулканы построены почти полностью из этого или похожего по составу, но более крупнозернистого габбро и диабаза . Другие магматические породы, такие как нефелинит , присутствуют в небольших количествах; они часто встречаются на старых вулканах, наиболее заметно на подводной горе Детройт. [51] Большинство извержений являются жидкими, потому что базальтовая магма менее вязкая , чем магмы, характерные для более взрывных извержений, таких как андезитовые магмы, которые производят впечатляющие и опасные извержения вокруг окраин Тихоокеанского бассейна. [7] Вулканы делятся на несколько изверженных категорий . Гавайские вулканы называются «гавайскими». Гавайская лава выливается из кратеров и образует длинные потоки светящейся расплавленной породы, стекающие по склону, покрывая акры земли и заменяя океан новой землей. [53]
Имеются существенные доказательства того, что скорость потока лавы увеличивается. За последние шесть миллионов лет она была намного выше, чем когда-либо прежде, более 0,095 км 3 (0,023 куб. миль) в год. Средняя скорость за последний миллион лет еще выше, около 0,21 км 3 (0,050 куб. миль). Для сравнения, средняя скорость производства на срединно-океаническом хребте составляет около 0,02 км 3 (0,0048 куб. миль) на каждые 1000 километров (621 милю) хребта. Скорость вдоль цепи подводных гор Императора в среднем составляла около 0,01 куб. километров (0,0024 куб. миль) в год. Скорость была почти нулевой в течение первых пяти миллионов лет или около того в жизни горячей точки. Средняя скорость производства лавы вдоль Гавайской цепи была выше, 0,017 км 3 (0,0041 куб. миль) в год. [25] В общей сложности, горячая точка произвела приблизительно 750 000 кубических километров (180 000 кубических миль) лавы, достаточной, чтобы покрыть Калифорнию слоем толщиной около 1,5 километра (1 миля). [5] [18] [54] [55] [56]
Расстояние между отдельными вулканами сократилось. Хотя вулканы дрейфовали на север быстрее и проводили меньше времени в активной фазе, гораздо больший современный объем извержения горячей точки породил более близко расположенные вулканы, и многие из них перекрываются, образуя такие суперструктуры, как остров Гавайи и древний Мауи-Нуи . Между тем, многие вулканы в подводных горах Императора разделены 100 километрами (62 мили) или даже 200 километрами (124 мили). [55] [56]
Подробный топографический анализ цепи подводных гор Гавайи-Император показывает, что горячая точка является центром топографического максимума, и что высота падает с расстоянием от горячей точки. Наиболее быстрое снижение высоты и самое высокое соотношение между рельефом и высотой геоида наблюдаются в юго-восточной части цепи, падая с расстоянием от горячей точки, особенно на пересечении зон разломов Молокаи и Мюррей. Наиболее вероятным объяснением является то, что область между двумя зонами более подвержена повторному нагреву, чем большая часть цепи. Другое возможное объяснение заключается в том, что прочность горячей точки увеличивается и уменьшается с течением времени. [37]
В 1953 году Роберт С. Диц и его коллеги впервые определили поведение зыби. Было высказано предположение, что причиной был подъем мантии. Более поздние работы указали на тектонический подъем , вызванный повторным нагреванием в нижней литосфере. Однако обычная сейсмическая активность под зыбью, а также отсутствие обнаруженного теплового потока заставили ученых предположить динамическую топографию в качестве причины, в которой движение горячего и плавучего мантийного плюма поддерживает высокий поверхностный рельеф вокруг островов. [45] Понимание Гавайского зыби имеет важные последствия для изучения горячих точек, образования островов и внутренней Земли. [37]
Горячая точка Гавайев является высокоактивной сейсмической зоной, где ежегодно на острове Гавайи и около него происходят тысячи землетрясений . Большинство из них слишком малы, чтобы их могли почувствовать люди, но некоторые достаточно велики, чтобы привести к незначительным или умеренным разрушениям. [57] Самым разрушительным зарегистрированным землетрясением было землетрясение 2 апреля 1868 года магнитудой 7,9 по шкале Рихтера . [58] Оно вызвало оползень на Мауна-Лоа, в 5 милях (8,0 км) к северу от Пахалы , в результате чего погибло 31 человек. Цунами унесло еще 46 жизней. Деревни Пуналуу, Ниноле , Кааава, Хонуапо и Кеаухоу-Лэндинг были серьезно повреждены. Сообщается, что цунами прокатилось по верхушкам кокосовых пальм высотой до 60 футов (18 м) и в некоторых местах достигло суши на расстоянии четверти мили (400 м). [59]
За свою 85-миллионную историю горячая точка Гавайев 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 — спящими вулканами . [23] [50] [60] Их можно разделить на три основные категории: Гавайский архипелаг , который охватывает большую часть американского штата Гавайи и является местом всей современной вулканической активности; Северо-Западные Гавайские острова , которые состоят из коралловых атоллов, потухших островов и островов-атоллов ; и Императорские подводные горы , все из которых с тех пор размылись и опустились в море, превратившись в подводные горы и гайоты (плоские подводные горы). [61]
Гавайские вулканы характеризуются частыми рифтовыми извержениями , их большими размерами (тысячи кубических километров в объеме) и их грубой, децентрализованной формой. Рифтовые зоны являются заметной особенностью этих вулканов и объясняют их, казалось бы, случайную вулканическую структуру. [62] Самая высокая гора в цепи Гавайев, Мауна-Кеа, возвышается на 4205 метров (13 796 футов) над средним уровнем моря . Измеряя от ее основания на морском дне, это самая высокая гора в мире, высотой 10 203 метра (33 474 фута); гора Эверест возвышается на 8 848 метров (29 029 футов) над уровнем моря. [63] Гавайи окружены множеством подводных гор; однако было обнаружено, что они не связаны с горячей точкой и ее вулканизмом. [39] Килауэа непрерывно извергался с 1983 по 2018 год через Пуу Ооо , небольшой вулканический конус, который стал достопримечательностью как для вулканологов, так и для туристов. [64]
Гавайские острова покрыты большим количеством оползней, образовавшихся в результате вулканического обрушения. Батиметрическое картирование выявило по меньшей мере 70 крупных оползней на флангах острова длиной более 20 км (12 миль), а самые длинные имеют длину 200 км (120 миль) и объем более 5000 км 3 (1200 кубических миль). Эти потоки обломков можно разделить на две большие категории: обвалы , массовое движение по склонам, которое медленно выравнивает их истоки, и более катастрофические обломочные лавины , которые фрагментируют вулканические склоны и рассеивают вулканический мусор за их склоны. Эти оползни вызвали огромные цунами и землетрясения, раздробили вулканические массивы и разбросали обломки на сотни миль от их источника. [65] Активное оползание в настоящее время происходит на южном фланге Большого острова , где оползень Хилина охватывает подвижную часть островной массы к югу от Килауэа. [66]
Оползни, как правило, имеют глубокие корни в своих источниках, перемещая породу на глубину до 10 км (6 миль) внутри вулкана. Вытесненные массой недавно выброшенного вулканического материала, оползни могут медленно ползти вперед или вырываться вперед спазмами, которые вызвали самые крупные исторические землетрясения на Гавайях в 1868 и 1975 годах. Между тем, обломочные лавины тоньше и длиннее и определяются вулканическими амфитеатрами у их головы и холмистой местностью у их основания. Быстро движущиеся лавины переносятся на 10 км (6 миль) блоков на десятки километров, нарушая местную водную толщу и вызывая цунами. Свидетельства этих событий существуют в виде морских отложений высоко на склонах многих гавайских вулканов [65] и испортили склоны нескольких подводных гор Императора, таких как Дайкакудзи-Гайот и Детройт-Маунт. [23]
Измерения GPS на восточном фланге острова Гавайи в течение 5-летней эпохи показывают картину коллапса со скоростью до 15 см/год (5,9 дюймов/год) относительно Тихоокеанской плиты [67]
Гавайские вулканы следуют хорошо установленному жизненному циклу роста и эрозии. После того, как образуется новый вулкан, его выход лавы постепенно увеличивается. Высота и активность достигают пика, когда вулкану около 500 000 лет, а затем быстро снижаются. В конце концов он затихает и в конечном итоге потухает. Выветривание и эрозия постепенно уменьшают высоту вулкана, пока он снова не становится подводной горой. [61]
Этот жизненный цикл состоит из нескольких стадий. Первая стадия — это стадия подводного предщита , в настоящее время представленная только Камаэуаканалоа . На этой стадии вулкан наращивает высоту за счет все более частых извержений. Давление моря предотвращает взрывные извержения. Холодная вода быстро застывает лава, образуя подушечную лаву , типичную для подводной вулканической активности. [61] [68]
По мере того, как подводная гора медленно растет, она проходит через стадии щита . Она образует много зрелых особенностей, таких как кальдера , находясь под водой. Вершина в конечном итоге прорывает поверхность, и лава и океанская вода «сражаются» за контроль, когда вулкан входит в эксплозивную субфазу . Эта стадия развития иллюстрируется взрывными паровыми жерлами. Эта стадия производит в основном вулканический пепел , в результате того, что волны гасят лаву. [61] Этот конфликт между лавой и морем влияет на гавайскую мифологию . [26] : 8–11
Вулкан входит в субаэральную субфазу , как только он становится достаточно высоким, чтобы вырваться из воды. Теперь вулкан набирает 95% своей надводной высоты примерно за 500 000 лет. После этого извержения становятся гораздо менее взрывоопасными. Лава, выбрасываемая на этой стадии, часто включает как пахоэхоэ, так и аа, и в настоящее время активные гавайские вулканы Мауна-Лоа и Килауэа находятся в этой фазе. Гавайская лава часто текучая, глыбовая, медленная и относительно легко предсказуемая; USGS отслеживает, где она, скорее всего, потечет, и поддерживает туристический сайт для просмотра лавы. [61] [69]
Механический коллапс, на который указывают крупные подводные оползни, прилегающие к оползневым шрамам на островах, представляет собой непрерывный процесс, который формирует ранние фазы вулканообразования на каждом из островов.
После субаэральной фазы вулкан вступает в ряд постщитовых стадий, включающих механический коллапс, создающий оседание и эрозию, превращаясь в атолл и, в конечном итоге, в подводную гору. Как только Тихоокеанская плита выводит его из тропиков с температурой 20 °C (68 °F) , риф в основном отмирает, и потухший вулкан становится одной из примерно 10 000 бесплодных подводных гор во всем мире. [61] [70] Каждая императорская подводная гора — это мертвый вулкан.
Рост и морфология рифов часто показывают прогрессию от подводного вулкана к субаэральному щиту и подводной горе. Процесс формирования рифа вокруг границ вулканического острова после его формирования связан как с локальным оседанием острова, так и с глобальным повышением уровня моря. [71] Другие локальные факторы, такие как температура воды и топография, важны для формирования рифов. [71] Эти окаймляющие рифы постепенно нарастают вертикально и в сторону моря по мере того, как неактивный вулкан оседает, что совпадает с повышением относительного уровня моря. Современный пример, залив Кайлуа у острова Оаху, Гавайи, был тщательно изучен для понимания образования карбоната рифа, производства и отложения осадка. По оценкам, валовое производство карбоната составляет приблизительно 1,22 кг м −2 г −1 , в то время как производство осадка посредством биоэрозии составляет 0,33 кг м −2 г −1 , что приводит к среднему вертикальному приросту 0,066 см/год (0,026 дюйма/год). Эта скорость значительно ниже, чем средние мировые показатели для прироста окаймляющих рифов 0,1–0,4 см/год (0,039–0,157 дюйма/год). Исследователи изучают связи между сильным волновым воздействием, биоразнообразием рифов, повышением уровня моря и антропогенным влиянием. [72] По мере того, как опускание острова прогрессирует, окаймляющие рифы превращаются в барьерные рифы , и как только вулкан становится подводной горой, барьерные рифы образуют атоллы . Атолл Мидуэй является хорошим примером заключительной стадии эволюции вулканического острова с горячей точкой . [73]
