Cовременная кинематика

Источник: В.Е.Хаин - http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_02/GEODYN.HTM

Данные сейсмического “просвечивания” Земли фиксировали активные процессы, приводящие к изменениям структуры земной коры, которые зарождаются в нижней мантии и даже на ее границе с ядром, а само ядро также участвует в этих процессах, а твердое “ядрышко” ведет себя самостоятельно - вращается с большей скоростью, чем остальная планета.

Первые результаты сейсмотомографических исследований показали, что современная кинематика литосферных плит адекватно отражается лишь до глубин 300-400 км, а ниже картина перемещений мантийного вещества становится существенно иной. Это породило мнение о том, что теория тектоники литосферных плит не может объяснять все и ее пора заменить новой концепцией. Это справедливо, но теория тектоники литосферных плит удовлетворительно объясняет развитие земной коры континентов и океанов на протяжении по крайней мере последних 3 000 Му и перемещение плит фиксируется с помощью GPS (Global Positioning System). А в отношении позднего архея, отстоящего от нашего времени на 2.5-3.0 млрд лет, убедительные данные были недавно получены в Северной Карелии экспедицией Геологического института РАН, обнаружившей разрез древней океанской коры - офиолитов, включающих такую характерную компоненту, как комплекс параллельных даек.

Аналогичное открытие только что сделано и в Северном Китае.

ТАИНСТВЕННЫЙ Д-дубль-прим И СТРОЕНИЕ НИЖНЕЙ МАНТИИ

В геофизике принята модель Буллена-Джеффриса оболочечного строения твердой Земли, где оболочки и ядро обозначены заглавными латинскими литерами: кора - А, верхняя мантия - B, переходный слой к нижней мантии - C, нижняя мантия - D (между 660-670 и 2900 км), внешнее ядро - E, внутреннее - F. Довольно скоро, в 60-70-е годы, возникло подозрение, что в самых низах мантии существует слой с особыми свойствами: появились признаки нарушения монотонного возрастания скоростей сейсмических волн к границе ядра. Однако только в 80-е годы сейсмотомография получила достаточно убедительное подтверждение существования такого слоя, который получил обозначение D'''', или Д-дубль-прим (поскольку вышележащая нижняя мантия обозначалась индексом D'', т.е. Д-прим).

Слой D'''' действительно оказался примечательным. Его верхняя граница с мантией неровная, и мощность меняется от 200 до 300 км.

Эти значения сопоставимы с мощностью переходного слоя от верхней к нижней мантии, залегающего на глубинах 410-660 км. Вязкость слоя D'''', судя по сейсмическим скоростям, заметно варьирует в широтном направлении, указывая не только на температурные, но и химические различия в составе вещества. И наконец, в подошве этого слоя выявлена зона ультранизких скоростей, что говорит о возможном частичном плавлении вещества.

С открытием слоя D'''' возникло предположение о его исключительно важной роли в глубинной и глобальной геодинамике. Скорее всего именно в нем находят свои “могилы” погружающиеся слэбы океанической литосферы, а по соседству зарождаются мощные восходящие струи разогретой и обогащенной легкими литофильными элементами мантии - мантийные плюмы.

Прошло временя, и стали появляться высказывания и о неоднородности нижней мантии: слоя D'' - сейсмотомография подтвердила, что на глубине около 1700 км свойства мантии изменяются, что свидетельствует о вариациях минерального и химического состава. Эти данные имеют принципиальное значение, но они пока не столь определенны для проведения границы между верхней и нижней частями слоя D''.
Наконец высказывается мнение о существовании непосредственно за верхней границей нижней мантии слоя с более низкой вязкостью, который тоже может играть значительную роль в распределении мантийных течений.

Таким образом в поперечном сечении земного шара существуют три наиболее активных слоя, каждый мощностью в несколько сотен километров: астеносфера, верхний слой нижней мантии и слой D'''' в основании мантии, которым принадлежит ведущая роль в глобальной геодинамике.

СЛЭБЫ СТАНОВЯТСЯ ЗРИМЫМИ

Данные сейсмотомографии прямо свидетельствуют о погружении глубоко в мантию наклонных зон повышенных сейсмических скоростей - пластин-слэбов океанической литосферы. Эти данные совпадают с поверхностями гипоцентров землетрясений, достигающими кровли нижней мантии. Обнаружено, что слэбы опускаются на большие глубины в нижнюю мантию.

Поведение погружающихся слэбов оказывается неоднозначным: одни из них, достигая нижней мантии, не пересекают ее, а отклоняются вдоль поверхности, принимая практически горизонтальное положение; другие - пересекают кровлю нижней мантии, но затем образуют раздув и не погружаются глубже; третьи же уходят на большие глубины и достигают ядра (это обнаружено в 90-х на плите Фараллон). Но большинство слэбов пересекают кровлю нижней мантии, не проникая в нее глубже 1000-1300 км, и дальше расплываются.

Ископаемых зоны субдукции выявлены под Монголо-Охотским подвижным и Охотско-Чукотским вулкано-плутоническим поясами, под Тибетом. Здесь, как и в случае плиты Фараллон, речь идет о слэбах, погружавшихся в мезозое и кайнозое (с 180 Ма). Именно тогда плита Фараллон могла достигнуть поверхности ядра, уйдя глубоко под Северо-Американский континент.

Важный результат новейших сейсмотомографических исследований - открытие отрыва нижней части погружающегося слэба.

Сейсмологи констатируют в отдельных регионах исчезновение на некоторой глубине очагов землетрясений, а затем их возникновение вновь еще глубже. Одним из таких мест было море Альборан. И сейсмотомография обнаружила там отрыв нижней части слэба, связанный с нарастанием растягивающих напряжений, возникновению которых способствуют дегидратация и эклогитизация базальтового и габбрового слоев. Этот отрыв имеет важное следствие: в зону отрыва снизу проникает астеносфера и образуется астеносферное окно, дающее начало мантийному магматизму, который следует за субдукционным и коллизионным. С мантийным магматизмом связано оруденение - например, платиноидное на Урале и золоторудное в Альпийском поясе Европы.
Говоря о субдукции, нельзя не упомянуть о следующем. В тектонике плит под субдукцией понималось погружение океанической коры под островодужную или континентальную в так называемых зонах Беньофа.

Между тем этот термин был введен А.Амштутцем для погружения коры предгорного прогиба Альп под горную структуру. Впоследствии А.Балли предложил называть это субдукцией типа А, в отличие от классической субдукции типа Б (Беньофа).

Но субдукция А не привлекала особого внимания, так как считалось, что ее масштабы ограничены в связи с повышенной плавучестью континентальной коры. Однако сейсмопрофилирование методом отраженных волн в Альпах и Карпатах показало, что континентальная кора платформ может уходить под смежные горы на расстояние в 100 км и погружаться на глубину в 150 км и в древних зонах субдукции были обнаружены породы первично континентального происхождения, содержащие минералы, образующиеся в условиях сверхвысоких давлений, - коэсит (высокобарическую модификацию кварца), алмазы и др. Последние могут говорить о погружении литосферы в зонах субдукции до переходной зоны от верхней к нижней мантии, а затем выходе на поверхность.

Возникла проблема образования террейнов ультравысоких давлений UHPМ и их эксгумации. Подобные породы обнаружены на Урале и в Центральном Казахстане.

Предложен ряд моделей эксгумации, в общей форме предусматривающих заклинивание зоны субдукции, выжимание и всплывание континентальной части погружающейся литосферной плиты с отрывом ее от океанского продолжения.

В обломке эклогита одной южноафриканской алмазоносной кимберлитовой трубки найден коэсит, чторассматривается как свидетельство происхождения эклогита из субдуцированной океанской коры и участия последней в формировании литосферы и подтверждается и гипотеза о роли субдукции в образовании алмазоносных кимберлитов.

Также был обнаружен в алмазах характерный для нижней мантии минерал магнезиовюстит.

Предполагается, что он происходит в пограничной зоне верхней и нижней мантий.

ПЛЮМЫ И ИХ КОРНИ

Гипотеза восходящих мантийных струй, выступающих на поверхность в “горячих точках”, выдвинута в 1963 г. Дж.Вилсоном и обоснована в 1972 г. В.Морганом. С ее помощью объясняется внутриплитный магматизм, и в особенности образование линейных вулканических цепей, в которых возраст построек закономерно увеличивается по мере удаления от современных активных вулканов. Плюм-тектоника становится если не альтернативной, то равноправным партнером тектоники литосферных плит.

Доказано, что глобальный масштаб выноса глубинного тепла через “горячие точки” превосходит тепловыделение в зонах спрединга срединно-океанских хребтов.

Классический пример современной “горячей точки” - о.Исландия, расположенный на пересечении оси спрединга Срединно-Атлантического хребта и зоны поперечных разломов. Действие плюма началось на рубеже мела и палеогена, а в районе Исландии он сфокусировался в миоцене. Мощность коры океанического типа под этим островом достигает 40 км.

Палеоаналоги Исландии - океанские плато, распространенные в Тихом и Индийском океанах: поднятия Шатского, Хесса, Онтонг-Джава, Кергелен и др.

Область концентрации вулканических островов и подводных вулканов в центрально-западной части Тихого океана - поднятие Дарвина - рассматривается как проявление гигантского суперплюма середине раннего мела.Современную проекцию суперплюма усматривают в Полинезии, что подтверждается и данными сейсмотомографии.
С выявлением положения корней плюмов дело обстоит сложнее, чем с выявлением слэбов субдуцируемой литосферы, поскольку каналы, по которым поднимаются мантийные струи, более узкие.


Представляется наиболее вероятным выделение двух уровней зарождения плюмов: в низах мантии, слое D'''', и у границы верхней и нижней мантии. Первый - источник суперплюмов, второй - второстепенных. Сначала допускали, что второй уровень располагается над границей 660 км, теперь высказывается мнение, что он может находиться под ней.
Стоит вопрос: все ли фиксируемые на поверхности горячие точки - производные самостоятельных плюмов? На примере Восточной Африки сделано совершенно справедливое допущение, что крупные плюмы, 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 не только для субдуцируемых слэбов, но и для поднимающихся горячих струй.


Что касается закономерностей локализации плюмов, то их расположение во многих случаях совершенно очевидно: одни, подобно Исландии, находятся на пересечении оси спрединга с крупными разломами (Азорский плюм 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.

Другие плюмы приурочены к внутриплитным, внутриконтинентальным рифтовым системам, тяготея к тройным сочленениям (например, район Афара в Восточной Африке) или пересечению крупных зон разломов. Отсюда очевидно, 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.


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.

Однако вулканических цепей гавайского типа не много. Например, нет четкого увеличения возраста в весьма протяженной цепи о-вов Лайн в Тихом океане. Эти трудности обусловили возникновение альтернативных гипотез образования линейных вулканических цепей.

Основная идея заключается в том, что подобные структуры приурочены к зонам разломов, а их закономерное “старение” (далеко не везде проявленное) может объясняться течением астеносферы, зависящим от вращения Земли.

Плюмы, расположенные на осях спрединга, отвечают участкам интенсивного восходящего конвективного тепломассопереноса, 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''''. 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.

Next: КОНВЕКЦИЯ, РОТАЦИЯ, КОСМИЧЕСКИЙ ФАКТОР
Мантийные потоки и их наземное проявление
ПОВЕРХНОСТЬ МОХОРОВИЧИЧА И СОСТАВ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
ЛИТОСФЕРА И АСТЕНОСФЕРА
Мантийные потоки