Теория мантийных плюмов

 

4. Соотношение  с мантийной конвекцией. По мнению В.Е. Хаина, с плюмами, расположенными на осях спрединга, все более или менее ясно: они отвечают участкам более интенсивного восходящего конвективного тепломассопереноса, причем глубинные плюмы подпитывают верхнемантийную конвекцию. На основных плюмогенерирующих уровнях погружение субдуцируемых слэбов провоцирует подъем соседних плюмов, которые используют поступающий из слэбов материал. Такой сценарий в частности предполагается для слоя D''.

По идее А. Никишина, возникновение суперконтинента, опоясанного зонами субдукции, вызывает формирование под ним суперплюма. Последний в конечном счете стимулирует рифтинг и распад суперконтинента с образованием многочисленных горячих точек. Этот процесс наглядно иллюстрирует пример отдельных разновозрастных сегментов Атлантики, в пределах которых континентальный рифтинг с роем даек и плато-базальтовыми полями закономерно предшествовал началу спрединга и образованию океана. В Центральной Атлантике это происходило в конце триаса-начале юры, в Южной Атлантике ― в конце юры-начале мела, в Северной Атлантике ― в самом конце мела и палеоцене.

 

Проблема соотношения плюмов с мантийной конвекцией до сегодняшнего дня остается наиболее острым вопросом рассматриваемой теории. Как уже было сказано, деятельность плюмов в мантии недоступна прямому наблюдению и поэтому их существование до сих пор остается под вопросом, а теория является результатом анализа данных, полученных геофизическими методами. Поэтому уделим внимание более подробному рассмотрению классических примеров горячих точек ― исходной предпосылки существования восходящих мантийных струй.

 

Глава 4

Горячие точки

 

4.1. Гавайи

 

Наиболее изученным примером океанического внутриплитного вулканизма являются Гавайский и Императорский хребты в центральной части Тихого океана.

Гавайские острова протягиваются через центральную часть Тихого океана в виде цепи вулканических островов протяженностью почти 2500 км. В юго-восточной части они состоят из 8 более крупных островов, начиная с острова Гавайи, самого большого по площади и одновременно единственного острова с еще действующими вулканами. К северо-западу от него следуют острова Мауи, Кахулави, Ланаи, Молокаи, Кауаи и Ниихау. Далее к северо-западу к ним присоединяются еще более мелкие и невысокие острова, банки и рифы: Каула, Нихоа, Некер, Френч-Фригит-Шол и Гарднер. Это вершины длинного ряда вулканических горообразований, мощные невидимые основания которых расположены на глубинах, превышающих 5000 м. С другой стороны, отмечается, что Мауна-Кеа (вершина острова Гавайи) имеет высоту 4205 м над уровнем моря и представляет собой огромный горный массив, по объему и высоте превышающий Джомолунгму (8848м).

Как уже было сказано, острова Гавайской цепи по направлению к северо-западу становятся не только меньше по размеру, но и древнее. Возраст потухших вулканов закономерно возрастает до эоценового (42 млн. лет) на северо-западной оконечности цепи. Здесь она сочленяется с цепью подводных вулканических возвышенностей, известных как Императорский хребет. Простирание этого хребта имеет направление не ЗСЗ — ВЮВ как Гавайского, а СЗ — ЮВ; возраст вулканических построек возрастает от эоценового до позднемелового (78 млн. лет). Таким образом, перед нами картина закономерной миграции во времени и в пространстве вулканических центров. Тихоокеанская плита двигалась над этой горячей точкой сначала в северо-западном (Императорский хребет), а затем, с 42 млн. лет в запад-северо-западном направлении, в то струя расплава «прожигала» и создавала все новые вулканы. [6]

Развитие Гавайских островов протекало, по-видимому, в следующей последовательности: вдоль системы разломов глубокого заложения, пронизывающих океаническую литосферу, предположительно в местах их пересечения поперечными разломами, на дно океана изливались поднимающиеся из астеносферы базальтовые расплавы и постепенно накапливались, образуя мощные щитовидные вулканические сооружения с пологими углами наклона, которые со временем вырастали над уровнем моря. Там, однако, они попадали в зону прибоя и других агентов эрозии. Благодаря перемещению вулканической активности к юго-востоку поступление материала на более древние острова прекратилось, и они в конце концов оказались под действием только сил разрушения. Вместе с тем мощные накопления продуктов вулканизма представляли собой значительную нагрузку на морское дно, в результате чего происходило постепенное изостатическое выравнивание, связанное с медленным погружением, иными словами, прежние острова постепенно превращались в подводные горы или, если вершины куполов были срезаны прибоем, в подводные столовые горы, так называемые гайоты. Все стадии подобного хода развития можно наблюдать вдоль цепи Гавайских островов, двигаясь с юго-востока на северо-запад.

Одновременно с эрозионным разрушением и погружением океанских вулканических построек происходит развитие иного рода. Задолго до того, как остров достигнет конечной стадии своего существования, по его краям в неглубоких, теплых и хорошо освещенных водах поселяются кораллы и начинают сооружать известковые рифы, которые вначале примыкают к берегам в качестве окаймляющих рифов. Это состояние хорошо выражено на острове Оаху. В следующую фазу, если погружение вулканического острова компенсируется дальнейшим разрастанием коралловых рифовых построек, окаймляющий риф отделяется от остаточного острова лагуной и превращается в барьерный риф. После того как остаток вулканического острова наконец полностью исчезнет под водой, на поверхности остаются лишь продолжающие разрастаться коралловые рифы, окружающие лагуну в виде кольцеобразного атолла.

Характер извержений огромных гавайских щитовых вулканов Мауна-Лоа и Килауэа может служить наглядным примером океанического внутриплитового вулканизма. Предвестниками извержений здесь служат, как правило, серии подземных толчков. Собственно извержения заключаются в относительно «спокойном» излиянии базальтовой лавы из кратеров или чаще всего из раскрывшихся трещин. Лава здесь жидкая, подвижная, легко отдающая содержащиеся в ней газы. Извержения, как правило, начинаются с того, что лава, изливающаяся из раскрывшихся трещин, вследствие внезапной разгрузки давления вспенивается и содержащиеся в ней газы расширяются настолько, что, захватывая разбрызганную лаву, образуют многочисленные лавовые фонтаны, которые могут, соединяясь, создавать настоящие «огненные завесы». За ними изливаются вниз по склону лавовые потоки больших или меньших размеров, и после их застывания мощные лавовые щиты увеличивают свой объем на некоторую величину. Нередко извержения длятся в течение целых дней и даже месяцев.

 

4.2 Исландия

 

Остров Исландия, находящийся в Северной Атлантике, был пересечен Срединно-Атлантическим хребтом относительно недавно, не более 15 млн. лет назад. Остров характеризуется мощной земной корой (до 30 км), в которой отсутствует гранитный слой. По мнению ряда ученых, не исключена возможность, что она относилась к континентальному типу, но сильно переработана мощным базальтовым вулканизмом. О масштабе вулканической деятельности в этой исландской горячей точке можно судить на основании того, что за последние два миллиона лет здесь было излито около 400 км3 лав. Это преимущественно толеитовые базальты, однако присутствуют также кислые (до 11%) и средние породы (3-5%), что редко встречается на вулканических островах. В астеносфере под Исландией зафиксирована разуплотненная и разогретая линза вещества с температурой 1200°С, равной температуре жидкого базальта. Эту линзу можно рассматривать как питающий вулканизм магматический очаг.[4]

Действие плюма в Северной Атлантике началось на рубеже мела и палеогена, а в районе Исландии он сфокусировался в миоцене.[14] На протяжении последних 15 млн. лет положение Исландии по отношению к глубинной горячей точке не меняется. На основании того, что самые древние из известных в Исландии базальты (22-15 млн. лет), а также одновозрастные с ними базальты на соседних островах и прилегающих частях континентов близки по составу к континентальным, существует предположение, что горячая точка Исландии приурочена к фрагменту разрушенного континента, на который впоследствии наложился Срединно-Атлантический хребет.[13]

В деятельности Исландского плюма наблюдалась разноранговая периодичность. Эпохи активного вулканизма (обычно 2-3 млн. лет) повторялись через 20-30 млн. лет. Это хорошо выявлено по данным распределения прослоев вулканического пепла в кайнозойском осадочном чехле Норвежского и Гренландского морей. В Норвежско-Гренландском бассейне магматизм Исландского плюма имел особенно большое значение в формировании пришельфовых плато и островов, что объясняется тем, что здесь влияние Исландского плюма наложилось на продвижение спредингового Срединно-Атлантического хребта в эту часть древнего континента Лавразии. Возникавшие при этом грабены и рифты очень быстро заполнялись базальтовыми лавами и вулканокластикой, мощность толщи которых достигала 20 км. Из продуктов магматизма Исландского плюма состоят многие острова этого бассейна (Исландия, Фарерские, Колбенсей, Сюртсей и др.). Частично ими сложены северные Британские острова. [7]

Современная проекция Исландского плюма находится в юго-восточной части Исландии, однако полная площадь его воздействия все еще неизвестна. Его влияние на палеогеновый базальтовый магматизм Гренландии и Норвегии, а также магматизм современных и отмерших срединно-океанических хребтов Северной Атлантики подтверждено многочисленными исследованиями. Проявления щелочного и наиболее крайнего его проявления, щелочно-ультраосновного магматизма, связанного с Исландским плюмом, известны на континентальных окраинах Гренландии и Норвегии. Их возраст совпадает со временем раскрытия Атлантики в этом регионе и обширными излияниями базальтов как на континентальной, так и на океанических плитах. Отдельные проявления щелочного магматизма происходили вплоть до настоящего времени (о-в Ян-Майен). Палеогеодинамические реконструкции предполагают, что в раннем мезозое над Исландским плюмом перемещалась северная часть Сибирской платформы. Здесь также синхронно с траппами происходило формирование щелочных и щелочно-ультраосновных пород (Маймеча-Котуйская провинция).[8]

 

Глава 5

Критика теории плюмов

 

Как отмечает В.Е. Хаин: «совершенно бесспорных примеров вулканических цепей гавайского типа не так уж много. Например, нет четкого увеличения возраста в весьма протяженной цепи островов Лайн в Тихом океане. Эти трудности обусловили возникновение альтернативных гипотез образования линейных вулканических цепей. Основная их идея заключается в том, что подобные структуры приурочены к зонам разломов, а их закономерное «старение» (проявленное далеко не везде) может объясняться течением астеносферы, зависящим от вращения Земли. Таким образом, в проблеме плюмов остается еще много неясного».

Совсем недавно известный американский геофизик Д. Андерсон пришел к заключению, что модель глубинного плюма Моргана может быть опровергнута.[10][11] С его точки зрения, весь вулканизм, не связанный с границами плит, может быть объяснен неглубинными, связанными с плитами стрессами, которые разрушают литосферу и являются причиной вулканизма вдоль этих разломов, активизируя, например, вторичную, связанную с перемещением плит, конвекцию в верхней мантии.

Позже Д. Андерсон вообще высказал сомнение в реальности существования плюмов, полагая, что на сегодняшний день сейсмических данных для их выделения недостаточно.[11]

Отечественные исследователи Камчатского региона Г.И.Аносов, А.В. Колосков и Г.Б. Флеров также не разделяют взглядов приверженцев теории плюмов:

«Оценивая геодинамические параметры плюмовой концепции вулканического процесса, следует подчеркнуть изначальное линейное расположение вулканических центров Курило–Камчатской дуги,  которое по аналогии с океаническими вулканическими цепями (например, Гавайско-Императорской) хочется увязать с горячей точкой, над которой движется литосферная плита островной дуги, либо, что более вероятно, под неподвижной плитой движется горячая точка (точки). Известно (Добрецов и др., 2001), что плюмы на поверхности Земли представлены в виде вулканических излияний, как правило, щелочного состава. При этом достаточно подробно описываются кинематика литосферных плит, базирующаяся на определении возраста вулканитов и географических координат вулканических центров,  и в меньшей степени, динамика самого вулканического процесса. В частности, только в последние годы были сформулированы основные критерии, по которым  плюмы стали называться плюмами (т.е. "струями"), а не горячими точками. Вместе с тем, природа  плюмов базируется на идеях тепловой и химической дифференциации и, чтобы найти решение многих концептуальных трудностей, их возникновение увязали с разделом внешнее (жидкое) ядро – нижняя мантия (слой "D"), откуда они поднимаются до самой дневной поверхности. Если учесть, что геометрически такая структура представляет собой даже не струю, а тонкую нить (в сопоставимых масштабах, возможно, тоньше человеческого волоса), то возможность существования такой нити в расплавленном состоянии при пересечении всей толщи верхней и нижней мантии Земли и в течение миллионов лет, вызывает определенные  сомнения».[5]

Ряд исследователей во главе с английским учёным Джилианом Фолгером также выступили с утверждениями, что теория плюмов находится в кризисе. Они утверждают, что сейчас теория плюмов используется для того, что бы объяснять любой «загадочный» магматизм. В научном сообществе она считается само собой разумеющейся и в таком виде преподается студентам. Однако, по мнению критиков, теория плюмов не подтверждается наблюдениями.

 

Заключение

Выполнив курсовую работу, я достигла поставленной цели – изучения и обобщения некоторых материалов по теории плюмов.

Плюм-тектоника является относительно новой теорией в геофизике, и существование плюмов многие ученые пока еще подвергают сомнению.

Я считаю, что на сегодняшний день теория мантийных плюмов является самым правдоподобным объяснением внутриплитного магматизма. Эта теория обладает серьезной аргументацией, исходящей из фактов, установленных не только аналитическим, но и опытным путем (на основе геофизических данных).

Теория мантийных плюмов является очень актуальной и перспективной областью науки в наше время.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Аносов Г.И., Колосков А.В., Флеров Г.Б. Особенности проявления ультрамафитов Камчатского региона с позиций вихревой геодинамики. В сб. «Вихри в геологический процессах». Петропавловск-Камчатский. 2004. С. 129-200.

2. Пущаровский Д. Ю., Пущаровский Ю. М. Состав и строение мантии Земли // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 11.

3. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Развитие Земли. М: Изд-во МГУ, 2002. 506 с.

4. Фролова Т.И. Роль магматизма в образовании океанов // Соросовский образовательный журнал. 1996. №08.

5. Хаин В. Е. Cовременная геодинамика: достижения и проблемы // Природа. 2002. №1.

6. Хаин В. Е., Ломизе М. Г. Геотектоника с основами геодинамики. Учебник. Для студентов геологических специальностей вузов. М: Изд-во МГУ, 1995 г. 480 с.

7. Харин Г.С., Чернышева Е.А., Ерошенко Д.В. Магматизм исландского (сибирского) плюма и его влияние на геологию, геодинамику, формирование минеральных ресурсов и морфоструктур морей западной Арктики. Электронный источник  http://www.ocean.ru

8. Чернышева Е. А., Харин Г.С. Щелочные породы, связанные с деятельностью исландского плюма в мезозое и кайнозое.// Всероссийский семинар с участием стран СНГ. Геохимия магматических пород. Москва. 2002.

9. Anderson D.L.  A short history of the plume hypothesis: the inside story

10. Anderson D. L. The edges of the mantle, in: M. Gurnis et al. (Eds.), The Core-Mantle Boundary Region, American Geophysical Union, Washington, DC, 1998, pp. 255-271.

11. Anderson D.L.  The thermal state of the upper mantle: no role for mantle plumes, Geophys. Res. Lett. 27 3623-3626.

12. Электронный источник http://www.olegyakupov.com/Translations/Three_Distinct_Types_Hotspots_RU.htm#Table1