Теория мантийных плюмов

В соответствии с теоремой Эйлера движение литосферных плит по поверхности сферы можно представить как вращение вокруг оси, проходящей через центр сферы (рис.3). Трансформные разломы дают направление «эйлеровых широт». Линейная скорость (на рисунке — скорость спрединга) нарастает по мере удаления от полюса вращения (Э — «эйлеров полюс»). Справа — схема по К. Ле Пишону и др. (1973): определение координат полюса вращения по пересечению срединных перпендикуляров к линиям большого круга, проходящим через точки А—А' и В—В'; а — угол вращения, соответствующий перемещению точек.

Это положение тектоники плит широко применяется для реконструкции их перемещений.

Рис. 3. Теорема Эйлера в движении литосферных плит по В.Е. Хаину, М.Г.Ломизе, 1995 г.

 

5. Пятое положение тектоники плит гласит, что объем поглощаемой в зонах субдукции океанской коры равен объему коры, нарождающейся в зонах спрединга. Таким образом, субдукция  и обдукция компенсируют спрединг, и радиус Земли может изменяться не более чем на 1%.

6. Шестое положение тектоники плит усматривает основную причину движения плит в мантийной конвекции. Эта конвекция в классической модели 1968 г. является чисто тепловой и общемантийной, а способ ее воздействия на литосферные плиты состоит и том, что эти плиты, находящиеся в вязком сцеплении с астеносферой, увлекаются течением последней и движутся на манер ленты конвейера от осей спрединга к зонам субдукции. В целом схема мантийной конвекции, приводящей к плитнотектонической модели движений литосферы, состоит в том, что под срединно-океанскими хребтами располагаются восходящие ветви конвективных ячей, под зонами субдукции — нисходящие, а в промежутке между хребтами и желобами, под абиссальными равнинами и континентами — горизонтальные отрезки этих ячей.

В настоящее время непосредственное волочение литосферных плит астеносферным течением вследствие вязкого сцепления между литосферой и астеносферой не считается единственной и даже главной, движущей плиты, силой, поскольку вязкости литосферы и астеносферы существенно различаются. Значительно большая роль отводится двум другим силам — отталкиванию литосферных плит от осей срединных хребтов под влиянием гравитации, вследствие их значительного превышения над абиссальными равнинами и их затягиванию в зоны субдукции вследствие того, что в результате охлаждения океанская литосфера оказывается более тяжелой, чем астеносфера, и утрачивает благодаря этому свою плавучесть.

Мантийная конвекция не является чисто умозрительным построением. Ее неизбежность стала очевидной после того, как были открыты явления интенсивной гидротермальной деятельности (горячие источники) в зонах спрединга, не только срединно-океанских, но и окраинно-морских, что заставило резко увеличить оценку теплового потока, идущего из глубин Земли. Если бы это тепло удалялось из недр только путем кондуктивной теплопроводности. Земля должна была бы достаточно быстро разогреться, а ее верхние оболочки — расплавиться (собственно, такой разогрев, хотя и меньшего масштаба, и предполагался в ранних тепловых моделях Земли, когда не учитывался конвективный теплоперенос). Конвекция является гораздо более эффективным механизмом удаления внутреннего тепла Земли. В настоящее время, как указывалось выше, ее реальность подтверждена сейсмотомографией, выявившей существование в мантии чередования областей разогрева и охлаждения.

Перспективной представляется концепция, предложенная Л.И. Лобковским и названная им двухъярусной тектоникой плит. Она основана на отмеченном уже факте реологической расслоенности литосферы, при которой верхняя кора и литосферная мантия ведут себя как жесткие тела, а нижняя кора (в океане - верх мантии) – как пластичные. В этих условиях может происходить отслаивание коры от мантии и ее самостоятельное перемещение.

В своей первоначальной форме тектоника плит почти не рассматривала вопрос о внутриплитной тектонике. Литосферные плиты вовсе не являются столь жесткими, монолитными и недеформируемыми, как это декларируется во втором положении изложенной концепции. Об этом свидетельствуют значительные внутриплитные и окраинно-плитные дислокации и проявления магматизма. Этот и ряд других важных вопросов нашли свое развитие в ходе интенсивных и разнообразных исследований, которые стимулировала тектоника плит не только в геотектонике, но и в других науках о Земле и которые успешно проводятся учеными многих стран уже в течение нескольких десятилетий. [6]

Самым важным дополнением к «классической» тектонике плит явилась концепция, получившая название «тектоники плюмов» или «плюм-тектоники», о которой пойдет речь в следующей главе.

 

 

Глава 3

Теория мантийных плюмов

 

3.1 Плюмы и горячие точки

Активные внутриплитные геологические процессы, связанные с формированием купольно-глыбовых горных сооружений на континентах, особый щелочной тип магматизма на континентальных платформах, сейсмичность и другие внутриплитные геологические явления вынудили ученых искать новые, дополняющие тектонику литосферных плит, механизмы действия процессов. Геологи пришли к идеям объяснения внутриплитных процессов, опирающимся на представления о деятельности восходящих и нисходящих струйных потоков ― плюмов, охватывающих толщи мантии. Доказательством существования восходящих мантийных струй являются выявленные внутри плит так называемые «горячие точки»  ― районы продолжительного вулканизма с расплавами мантийного происхождения, находящиеся вдалеке от границ литосферных плит. 

Так зародилась теория «горячих точек» и «мантийных струй (плюмов)». История ее концепции восходит к 60-м и 70-м гг. прошлого века, когда Дж. Вилсон выдвинул идею о том, что Гавайские острова образовались в результате движения океанической литосферы над стационарной горячей точкой. В 1971 году Дж. Морган предположил, что горячие точки возникают за счет вертикальных потоков горячего вещества в мантии ― плюмов.

Понятие «плюм» было заимствовано геологами из гидродинамики, где так называют поток одной жидкости в другой.

Плюм в геологии ― это горячий мантийный поток, двигающийся независимо от конвективных течений в мантии. Плюмы считаются причиной возникновения траппов, рифтов и горячих точек.

В настоящее время насчитывается по разным данным от 49[12] до 122[13] горячих точек. Горячие точки встречаются как внутри плит, так и на дивергентных  (раздвигающихся) границах между плитами (рис. 4).

По первоначальному предположению горячие точки располагаются над фиксированным струйным объектом в мантии, который «прожигает» проходящую над ним литосферу.

 

Рис. 4. Распределение горячих точек на поверхности Земли по Crough S. T., 1983 г.

 

Наиболее ярким проявлением горячей точки поверхности Земли считают о. Гавайи, представляющий собой завершающее звено цепи Гавайских островов вулканического происхождения и их продолжения – Императорских подводных гор, в которых возраст вулканов увеличивается от 0 до 42 млн. лет в Гавайской цепи и от 43 до 70 млн. лет в Императорской цепи. Эти цепи островов и подводных поднятий с закономерно возрастающим возрастом образования однозначно трактуются как след движения Тихоокеанской плиты над Гавайской горячей точкой, существующей уже более 70 млн. лет. Прямолинейные цепи островов, гойотов, подводных поднятий, образующихся при движении плит над мантийной струёй, принято называть асейсмичными хребтами (рис. 5).

При значительной скорости движения плит последствия плюмов смазываются, не сопровождаясь образованием вулканических структур – горячих точек, как, например, на Южно-Американской плите.

А долгоживущие вулканы горячих точек  Африканской плиты (30 млн. лет) указывают, что Африканский континент оставался неподвижным относительно подплитных плюмов Африки в течение последних 30 млн. лет (рис. 18). Благодаря этому, в плейт-тектонике абсолютные движения плит отсчитывают относительно неподвижной Африканской плиты.

 

Рис. 5. Формирование вулканической цепи над горячей точкой по Дж. Моргану, 1972. Цифрами указаны К-Ar датировки, подчеркнутыми – палеонтологический возраст базального осадка.

 

В отличие от горячих точек вывод о существовании плюмов ― результат интерпретации, т.к. прямое наблюдение недоступно.

По геофизическим данным, плюмы представляют собой узкие вертикальные сейсмические аномалии, проходящие насквозь мантию. Считается, что плюмы занимают стационарное положение в мантии. Температура в плюме должна быть значительно выше температуры в окружающей мантии.

В мантии Земли вязкость уменьшается с ростом температуры. Лабораторные эксперименты с изолированными термальными плюмами в жидкости показали, что плюм имеет грибовидную форму. Большая сферическая головная часть плюма растет медленно, в то время как процесс наполнения горячим материалом через ствол идет быстрее. При достижении головной части плюма поверхности Земли, она уплощается и распространяется в горизонтальном направлении.[14] До настоящего времени не существует законченной геодинамической модели мантийного плюма. Тем не менее, уже сейчас можно наметить те особые черты плюма, которые могут найти отражение на его сейсмическом изображении (Рис. 6).

 

 
Рис. 6. Схематическое изображение мантийного плюма.

 

 

 

 

 

В головной части находится обширная «подушка» плюмового материала, разлившегося под литосферой. Анализ поднятий горячих точек показывает, что подушка распространяется по латерали более, чем на 1000 км в диаметре, и она вытянута по направлению движения плиты. По петрологическим данным для Гавайского плюма максимальная температура на этих глубинах превышает «нормальную» мантийную примерно на 250К. Похожее превышение температуры предполагается для Исландии и нескольких других горячих точек.[14] 

Рис 7. Модели мантийных плюмов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Плюмы считаются причиной бурных вулканических процессов на поверхности Земли, которые формируют обширные изверженные провинции. На рис. 7 плюм А, поднимающийся от границы нижней и верхней мантии, образует подушку после достижения литосферы. Широкая подушка плюма В, поднимающегося с границы мантия-ядро, более холодная. Модель С показывает, что плюм задерживается на границе нижней и верхней мантии и дает начало меньшим плюмам.

 

Значительна роль плюмов в развитии литосферы и магматизма как внутриплитного, так и на дивергентных границах плит. Эта роль была, вероятно, особенно высока на ранних стадиях истории планеты. Существуют гипотезы, объясняющие формирование и распад суперконтинентов с позиций плюм-тектоники.

 

3.2 Основные вопросы теории

 

Вместе с тем возникает ряд проблем, пока не нашедших убедительного решения. К ним относятся:

• глубина заложения плюмов (иначе говоря, положение их корней в мантии);
• их локализация относительно границ литосферных плит и внутри последних;
• стационарность ― абсолютная или относительная;
• соотношение конвекции, управляющей кинематикой литосферных плит, с адвекцией, вызывающей подъем плюмов.

Рассмотрим эти вопросы.

1. Глубина заложения  плюмов. В.Е. Хаин выделяет два уровня зарождения плюмов: в низах мантии, слое D'', и у границы верхней и нижней мантии. Первый ― источник суперплюмов, второй ― второстепенных. Ранее допускалось, что второй уровень располагается над границей 660 км, теперь высказывается мнение, что он может находиться под ней.

По Зоненшайну и Кузьмину (1993г.) мантийные плюмы могут зарождаться на трёх уровнях:

1. на границе нижняя мантия – ядро (глубина 2700 – 2900 км);
2. на границе верхней и нижней мантии (глубина 670 км);
3. в граничном слое 700 – 900 км и в верхней мантии, при плавлении субдуцированной плиты (рис. 8).

 

Рис. 8. Двухслойная конвекция в мантии и поднимающаяся мантийная струя, пересекающая конвективные потоки по Л.П. Зоненшайну и Н.И. Кузьмину, 1993. 

 

По Ш. Маруяма (1994 г.) грибовидные суперплюмы зарождаются на границе ядро-мантия, они разветвляются на несколько более мелких струй в верхней мантии, а те в свою очередь на ещё более мелкие под литосферной плитой. Форма плюмов в сечении от изометричной до линейной. При этом образуются колонны поднятия (мантийный апвеллинг) и колонны опускания (мантийный даунвеллинг). В связи с холодными колоннами опускания формируются огромные осадочные бассейны.

С только что рассмотренной проблемой связана еще одна: все ли фиксируемые на поверхности горячие точки ― производные самостоятельных плюмов? На примере Восточной Африки было сделано допущение, что крупные плюмы (иначе суперплюмы), достигая подошвы литосферы, могут расщепляться с накоплением расплава под участками утоненной рифтингом литосферы или даже непосредственно внедряться в рифтовые зоны. Такое расщепление может, очевидно, происходить на границе верхней и нижней мантии, которая должна служить полупроницаемым барьером как для субдуцируемых слэбов, так и для поднимающихся горячих струй.

 

2. Локализация  плюмов. По расположению относительно литосферных плит большинство плюмов можно разделить на две группы:

 

 

 

• Плюмы первой группы находятся на пересечении оси спрединга с крупными разломами: Исландский и Азорский плюмы в Атлантике, вулканические острова Сен-Поль и Амстердам на Юго-Восточном Индоокеанском хребте и др. Поднятие Шатского и ряд аналогичных океанских плато возникли на древнем тройном сочленении осей спрединга.
• Плюмы второй группы приурочены к внутриплитным, внутриконтинентальным рифтовым системам, тяготея опять-таки к их тройным сочленениям (например, район Афара в Восточной Африке) или пересечению крупными зонами разломов.

Отсюда можно сделать вывод, что размещение горячих точек на поверхности контролируется ослабленными, проницаемыми зонами в коре и литосфере. Но корни этих плюмов ниже литосферы могут иметь и иное положение.

 

3. Стационарность  плюмов. Краеугольным камнем гипотезы Вилсона-Моргана было представление о фиксированном положении корней плюмов в подлитосферной мантии и о том, что образование вулканических цепей, с закономерным увеличением возраста построек по мере удаления от современных центров извержений, обязано «прошиванию» движущихся над ними литосферных плит горячими мантийными струями. Это положение было использовано для определения абсолютных векторов относительного перемещения плит. Позднее стало допускаться отклонение верхушки плюма в направлении течения астеносферы.