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, не вписывающиеся в 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 канадский учёный Дж.Т. Уильсон выдвинул гипотезу о том, что асейсмические хребты океанов, такие, как Гавайский, подстилаются аномально горячими участками мантии - «горячими точками» (hot spot). В 1971 г. Д. Морган предположил, что эти «горячие точки» располагаются на вершинах локализованных восходящих мантийных потоков - мантийных плюмов, и что примерно 20 активных областей вулканизма (Гавайи, Исландия, Тристан-де-Кунья, Иеллоустон и др.) связаны с такими плюмами.
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 до 122 горячих точек. Горячие точки встречаются как внутри плит, так и на дивергентных (раздвигающихся) границах между плитами.
По первоначальному предположению горячие точки располагаются над фиксированным струйным объектом в мантии, который «прожигает» проходящую над ним литосферу.
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.
Иногда под «горячей точкой» понимается проявление внутриплитной магматической активности, обусловленное процессами в верхней мантии, а «мантийный плюм» - проявление внутриплитной тектонической и магматической активности, обусловленное процессами в нижней мантии, источник которой может находиться на любой глубине, вплоть до границы ядро - мантия - слой D" (Грачёв, 2000). Часто термины «горячая точка» и плюм используются как синонимы. Вместе с тем, следует подчеркнуть, что если положение «горячей точки» устанавливается непосредственно при наблюдении за вулканической активностью зоны, то вывод о существовании плюма подтверждается данными глобальной и региональной сейсмотомографии, хотя прямое их наблюдение недоступно.
Среди «горячих точек» выделяются локальные внутриплитные проявления с размерами от сотен до первых тысяч километров в поперечнике (собственно «горячие точки») и огромные суперплюмы, объединяющие собой несколько локальных «горячих точек» и имеющие поперечник вплоть до десятков тысяч километров (Южно-Тихоокеанский и Африканский суперплюмы).
По современным представлениям мантийные плюмы, или просто плюмы, представляют собой сравнительно узкие колонны разогретого вещества, поднимающиеся из глубоких (не менее 650 км) слоев мантии, так как их вещество легче окружающих пород. Вещество плюма ведет себя как пластичное тело (возможно, частично расплавленное) и поднимается подобно соляным диапирам. При этом оно подвергается внутренним деформациям, последствия которых можно наблюдать в мантийных ксенолитах в вулканических породах. По некоторым оценкам диаметр плюмов составляет от 200 до 800 км, а скорость подъема - до 2 см/год. Плюмы встречаются как внутри плит, так и на дивергентных границах между плитами. Плюмы на поверхности Земли порождают купола, центральные участки которых могут возвышаться до 1 - 2 км над окружающей местностью.
Предполагается, что на континентах плюмы фиксируются в точках тройного сочленения (например, Афар Аденский, Красноморскиий и система Восточно-Африканских рифтов), где в последующем мог происходить разрыв континентальной коры. Здесь они формируют весьма пологие сводово-купольные поднятия диаметром до 100 км и вертикальной амплитудой до 1 - 2 км, осложненные густой сетью грабенообразных прогибов. Примерами воздействия плюмов на континентальную кору является восточный дрейф Восточно-Европейской плиты со скоростью 2-3 см/год, что сопровождается омоложением возраста вулканитов с востока на запад от Силезии и Богемии через Эйфельские маары до района Центрального массива Франции. В этом же плане следует рассматривать «гипотезу проскальзывания» Африканской плиты над «hot spot» с формированием Восточной ветви Африканско-Аравийского вулканического пояса.
На дивергентных границах между плитами плюмы сосредоточены, главным образом, в зонах СОХ. С плюмом под Исландией связан широкий сегмент Срединно-Атлантического хребта, выступающий в Исландии над уровнем моря.
Типичным примером внутриплитных океанических плюмов в океанах является плюм Гавайских-Императорских островов (рис. ниже). Здесь в Гавайском хребте отмечается цепь подводных и надводных вулканов, возраст которых последовательно омолаживается с СВ на ЮВ от 28 млн лет (Мидуэй) до современного (Килауэа) и новообразующегося (Лоихи). Такое омоложение связывается с прохождением Тихоокеанской плиты над Гавайским плюмом при ее движении в СЗ направлении.
Во всех случаях от «горячей точки» отходят вулканические хребты - следы прохождения плиты над плюмом. Возраст известных плюмов и «горячих точек» в истории Земли варьирует от раннего протерозоя (2,1 млрд лет) до современного.
Рис. 10.2. Положение и возраст вулканов в Императорско-Гавайской цени
Проблема существования плюмов широко дискутируется зарубежной научной общественностью. В 2003 - 2005 гг. Американское геологическое общество и Американский геофизический союз провели три конференции в Исландии, Калифорнии и Шотландии с общей тематикой «Есть ли плюмы, и если да, то что это такое?» Последнее из них имело название «Великий спор о плюмах: происхождение и роль крупных изверженных провинций и горячих точек». При этом следует подчеркнуть, что на сегодняшний день за существование плюмов и против высказывается примерно равное количество зарубежных исследователей. Достаточно подробный разбор существующих взглядов на проблему плюмов провёл В.Н.Пучков. Он предложил набор признаков и свойств, позволяющих выделять плюмы и суперплюмы, среди которых отмечены следующие:
1. Наличие цепочек вулканов с закономерным последовательным омоложением возраста. На сегодня подтверждено существование около двух десятков таких цепей.
2. Наличие вертикальных столбов или наклонных зон разуплотнённого вещества мантии, выявленных сейсмотомографией и простирающихся на большие глубины вплоть до границы ядро - мантия.
3. Связь плюмов и суперплюмов с глобальными областями разуплотнения в нижней мантии, которые имеют размеры до тысячи километров в плане, воздымаются вверх, постепенно распадаясь на отдельные плюмы в мантии, и концентрируются преимущественно над Тихоокеанским и Африканским суперсвеллами.
4. Связь плюмов с куполовидными поднятиями земной поверхности.
5. Петрологические и геохимические особенности плюмового магматизма, заключающиеся в высоких содержаниях литофильных элементов с крупными ионными радиусами, лёгких РЗЭ и в повышенных соотношениях изотопов первичного «солнечного» гелия к радиогенному.
6. Установленая связь грандиозных короткоживущих магматических провинций (КМП), в том числе трапповых полей и гигантских роёв докембрийских долеритовых даек, с суперплюмами.
За последние десятилетия плюм-тектоника получила дополнительные доказательства в связи с развитием таких направлений научных исследований, как сейсмотомография, петрология, минералогия, геохимия, изотопная геология. Появились представления о «горячих полях» – грандиозных короткоживущих магматических провинциях, которые образованы преимущественно породами основного состава площадью более 0,1 млн км2 и объёмом более 1 млн км3 с максимальной продолжительностью формирования около 50 млн лет. Их образование стали отождествлять с суперплюмами - широкими плюмоподобными воздыманиями мантийного вещества, вызывающими сравнительно короткое по времени выплавление и излияние колоссальных объёмов вулканических пород. Обнаружилась связь между плюмами, суперплюмами и суперсвеллами, областями пониженных скоростей и супервздутиями на границе мантии и ядра.
В настоящее время методами локальной и глобальной сейсмической томографии отстроены видимые изображения мантийных плюмов и холодных слэбов в разрезе нижней и верхней мантии Земли. На основе данных сейсмотомографии было обосновано, что плюмы зарождаются на разных уровнях нижней мантии от 2800 до 650 км.
Предполагается, что плюмообразующий высокоэнергетический очаг может возникать и во внутримантийных геосферах в зонах горизонтального срыва. При этом грубо возможно выделение по крайней мере их трёх разновидностей:
1) первичные («моргановские»)? идущие от низов мантии; одним из доказательств наличия нижнемантийных плюмов является высокое отношение в вулканитах3Не/2Не, где 3Не характеризует первичную недега- зированную мантию с первичным солнечным 3Не;
2) промежуточные, рождающиеся в основании переходной зоны;
3) верхнемантийные («андерсоновские»), возникающие в верхах астеносферы как ответ на движение плит.
Формирование плюмов может быть обусловлено несколькими возможными причинами, которые различаются механизмами инициации восходящих мантийных струй.
Первая модель субдукционмой инициации «горячих точек» обосновывается явлением опускания холодной океанической литосферы в мантию на её границу с ядром и выдавливании горячей мантии. Значительный объём субдуцировапных холодных слэбов («кладбище слэбов» в мантии, по Ю. Маруяме) порождает общемаитийные конвективные процессы. Это не только восполняет расход вещества в области поднимающихся суперплюмов, но и приводит к образованию локальных конвективных ячеек вблизи конвергентных границ. Появляется всё больше свидетельств о химической неоднородности мантии, что выражается в тонких геохимических отличиях вулканитов. Это объясняется широкомасштабным перемешиванием материала субдуцирующей литосферы и мантии в ходе общемантийной конвекции, что позволило выделить по содержанию и соотношению изотопов большое количество типовых мантийных резервуаров (PM, PREMA, UM (MORB), DM, EMI, SOPITA, HIMU, FOZO и др.), отличающихся степенью деплетированности или обогащенности теми или иными компонентами. Доказана сложная структура мантии, где соседствуют недеплетированпые, деплетировап ные и метасоматически обогащенные участки, принадлежащие рециклированной литосфере.
Вторая модель связывает образование мантийных плюмов вследствие взаимодействия ядра и мантии. При этом предполагается, что су- перплюмы формируются над восходящими ветвями конвективных ячей в жидком ядре Земли в результате фокусированного притока тепла к разделу ядра и мантии. Перегретая мантия этих участков приобретает плавучесть относительно окружающей мантии и поднимается кверху, в виде мантийных плюмов.
Третья модель предусматривает выделение тепла и повышение температуры в в Р-Т – условиях слоя D в результате экзотермического характера фазового перехода перовскита в деплетированный пост-перовскит. Железо при этом преобразуется в магнезиовюстит, что сопровождается выделением тепла и создаёт феномен суперплюма. Сейсмотомографическая ЗD-модель Земли включает две обширные низкоскоростные аномалии (вздутия, суперсвеллы) в слое D под Африкой и Южной частью Тихого океана, поднимающееся от которых перегретое вещество интерпретируется соответственно в качестве Африканского и Тихоокеанского суперплюмов.
Четвёртая (андерсоновская) модель предполагает образование очагов плавления в мантии при пассивном растяжении литосферы и соответственно декомпрессии (модель пассивного рифтогенеза), сопровождающееся формированием «горячих точек» - областей внутриплитного вулканизма.