Мантийные потоки и их наземное проявление

Плюм-тектоника является относительно новой теорией в геофизике, которая изучает движение внутримантийных плюмов под тектоническими плитами на глубине до 2900 км в земле. Японские геофизики Fukao Yoshio и Maruyama Shigenori, не имея возможности объяснить многие явления, выдвинули гипотезу о тектонике плюмов. Однако все это не тема для дебатов, потому что главный вопрос состоит в том, существуют ли вообще плюмы.

Hot Spot
J.Tuzo Wilson постулировал в 1963, что вулканические цепи подобно Гавайским островам, происходя от горячей точки, постоянно возобновляются, а их старая часть смещается, следуюя медленному движению тектонических плит. Горячие точки, как думают, вызваны узким потоком тепла мантии мантийных плюмов, хотя многие геологи предпочитают считать этой основой конвенцию в верхней мантии. В настоящее время идентифицировано примерно 40-50 таких горячих точек вокруг земного шара (Hawaii, Reunion, Yellowstone, Galapagos, Iceland). Большинство вулканов горячей точки базальтового состава, потому что они прорывают океаническую литосферу (Гавайи, Таити). В результате они менее эксплозивные, чем вулканы в зоне субдукции, где вода находится в ловушке под надвигающейся пластиной. Под континентальной корой базальтовая магма попадает в ловушку в менее плотной коре, которая нагревается и плавится и формирует риолиты. Риолиты могут быть весьма горячи и быть источником сильных извержений, несмотря на незначительное содержание воды (пример – Йеллоустонская кальдера). Однако, когда риолитовая магма полностью прорвалась, может произойти извержение базальтовой магмы. Пример этой деятельности - хребты Iigachuz в Британской Колумбии, которые были созданы на ранних стадиях трахитами и риолитами и позже были вытеснены базальтовых потоков лавы.
Сравнение с островной дугой
Вулканы горячих точек не надо путать с вулканами островных дуг. Все островные дуги смонтированы субдукцией сходящихся тектонических плит. Когда одна океанская плита встречается с другой, более плотная плита идет вниз в зоне глубоководной впадины. Эта плита по мере субдукции выпускает воду в надвигающуюся плиту и эта вода заставляет подтаивать верхнюю плиту. Эта масса питает цепь вулканов типа Алеутский островов.

http://www.le.ac.uk/gl/art/gl209/lecture7/lecture7.html
Поскольку континенты и океаническое дно дрейфуют поперек мантийного плюма, вулканы горячей точки вообще оставляют безошибочное свидетельство их прохода через морское дно или континентальную кору. В случае Гавайской горячей точки сами острова –очевидность движения морского дна по горячей точке в мантии Земли. Многие горячие точки настолько активны, что они часто улавливают изменения в направлении магнитных полюсов Земли.

Мантийные плюмы – от тектоники плит к плато тектонике.
Является ли тектоника плит явлением современным, или этот механизм работал и ранее? Можно ли распространять эту концепцию на архей?
Общие маркеры тектоники плит:
(1) Офиолитовые комплексы как фрагменты обдукцированного океанического дна или вероятнее бассейн back-arc или молодой forearc. обратной дуги или молодой forearc.
(2) Blueshists (с Na-амфиболовым глаукофаном) характерны для высокого давления и низкотемпературной обводненной окружающей среды, которая возможна только в зоне субдукции.
(3) Островные дуги над зоной субдукции.

Так для большинства интервала геологического времени (4.0 Ga до 0.6 Ga) распознаваемость маркеров тектоники плит слабая, так что встают побочные вопросы как о сохранности свидетельств тектоники плит, так и о ролли самой тектоники плит в более ранних стадиях. Так что некоторые исследователи предполагают, что тектоника горячих точек (плюм-тектоника) была более важным источником изменения лика Земли, чем тектоника плит в ранние эпохи.
Эти мало-плотностные плюмы, рожденные в недрах мантии, могут подняться вверх через другой материал так же, как диапиры, создающие соляные купола. Моделирование в лаборатории Ramberg показало, что такие плюмы будут иметь ряд форм, но форма гриба оценивается как наиболее вероятная. В плюме низкая плотность вызвана дополнительной высокой температурой в мантии. Подъем к поверхности мантии струи в конце концов превращает эту форму в гриб, так как это все определяет окружающий материал.
Очень важная особенность плюма, что они имеют пограничное термо-механическое происхождение, например на границе ядро-нижняя мантия (2900 км.) или на уровне фазовой разницы (700 км. глубины).
Это все происходит на границах, где существуют либо композиционные различия (мантия основного состава) или различия в стадии (неоднородность на глубине 700км.), что позволяет более плотному и более горячему материалу существовать ниже более легкой прохладной субстанции, так чтобы любая нестабильность в циркуляции потоков через границу может породить горячий плюм. При инициировании такие плюмы могут на несколько сотен градусов более горячими чем окружающая мантия. Они поднимаются с дополнительно высокой температурой, понижая вязкость окружающей мантии, так что возникает голова гриба и она постепенно увеличивается в размере и охлаждается, когда как хвост плюма остается более узким и горячим и непрерывно поднимается к голове. Проекция голавы плюма на поверхности земли (горячая точка) может достичь диаметра 500 - 1000 км.

Эти образования были описаны авторами Campbell, Griffiths, Hill & Co. Однако возникает вопрос о периодичности появления плюмов. И от какой неоднородности внутри Земли они происходят. Larson (1991) показал, что существует корреляция между величиной производства океанической коры и magnetic reversal time scale (шкалой реверсии магнитного поля).

Он показал, что норма производства мафической коры была максимальной в течение мелового магнитного затишья между 125 - 80Ma. Во первых, корреляция может иметь место, если плюмы происходят на границе ядро-мантия (D" слой), потому что это конвекция в ядре Земли, которая является ответственной за магнитное поле и, следовательно, выброс плюма, возможно, нарушил основную конвекцию (см. Larson и Olsen, 1991). Во вторых, это дополнительное производство коры может быть объяснено почти полностью представленными океанскими плато, потому что океанское плато является областью, где океанская корка аномально толста. Это отражает тот факт, что если энергообильный плюм находится под срединно-океаническим хребтом и вся его тепловая энергия конвертируется в базальтовую магмуБ то океаническая кора может быть более чем 15 км толщиной, в два раза толще нормальной океанической коры толщиной в 6 км. А это дает два далеко идущих эффекта. Во первых, это плато может стать землей, подобно Исландии, а не быть погруженной под уровень моря на глубину 2-6 км. Это имеет два дальнейших эффекта. Каждый - это, плато может стать землей, подобно Исландии, вместо того, чтобы быть погруженным 2 - 6 км ниже океанов. Второе следствие – может произойти повышение уровня моря и вода затопит низменные континентальные края и возникнут мелкие теплые моря (см. Larson, 1991).
Главные океанские плато находится на территории Западного Tихого океана (Ontong Java; Manihiki Rise; Hess Rise и т.д.) и имеют возраст от 120 Ма, который соответствует началу мелового магнитного затишья. Обратите внимание, что эти образования - только одна половина плато - другая половина, что сформировалась по другую сторону серединно-океанского хребта, возможно, была субдукцирована под Южную Америку. Вторая стадия деятельности плюма произошла примерно 87 Ма и соответствует окончанию магнитного затишья. В этой стадии самый большой плюм проник под Галапагосскую горячую точку в зоне Восточного Tихого океана и частицы его найдены рассеянными вокруг Карибского моря. Заметьте, что исландский плюм появился 60 Ма. Это может указывать, что большие плюмы, возможно, более частое явление, чем думается. Могли ли они происходить в далеком прошлом? Является ли их выброс циклическим или спонтанным? Могли ли они быть более частыми в прошлом? Как можно распознать их? Они действительно представляют большой пульс энергии, переданной от внешнего ядра к поверхности Земли, так что они должны иметь соответствующие образования на поверхности Земли. Возможно главная фаза кимберлитообразования, возникшая около 120Ma и стадия глобального нагревания произошли в связи с плюмами (см. Larson, 1991).

Гигантские провинции изверженных пород
Что произойдет, если плюмы после своего вертикального подъема в конце концов достигают поверхности? Могут ли они прорваться на поверхность, или зависнут в толщине механических границ (mechanical boundary layer -MBL), или зависнут в литосфере. MBL тонок в океанских хребтах, так что плюмы могут легко прорваться на поверхность и энергия, преобразованная в энеогию обширного расплавления приведет к формированию океанского плато. Обратите внимание на то, что хребет и плюм – горячая точка (hostspot) не могут остаться вместе долгое время, потому что океанические хребты всегда движутся, а горячие точки остаются на месте. Так что в конечном счете все плато должны закончиться как цепи островов (например Гавайская цепь), как как горячая точка прожигает плиту.
Однако, если плюм проходит через толстую литосферу, то он не может легко прорваться и будет растекаться ниже литосферы.
Это может вызвать обширное расплавление литосферы и взаимодействие между плюмом и литосферой. Если это продолжается достаточно долго, то магмы могут быть вылиться как континентальные излияния базальта (примеры: Декан-Индия, Karoo - Ю. Африка; Ferrar – Антарктида и т.д.). Большинство этих гигантских областей изверженных пород изливает огромное количество базальта в весьма короткое по геологическим масштабам время (приблизительно 1 или 2 Му), так что это могут быть только весьма энергичные плюмы. Литосфера вздыбливается куполом, поскольку голова плюма охватывает область диаметром более чем 1000 км, и затем, когда плюм растапливает литосферу, магмы вуходят на поверхность.
В других случаях плюм может найти слабую зону, чтобы прорваться через нее. Хорошим примером этого может служить Британская Третичная Вулканическая Провинция (British Tertiary Volcanic Province), область, возникшая 60Ma назад, когда возник исландский плюм, но прекратившая свое существование через несколько миллионов лет. В этом случае "слабое звено" прошло Исландии, через северо-западную Шотландию к местечку СЗ Шотландия, к Lundy в Бристольском заливе. Плюм в этом случае прорвался через слабую зону.
Обратите внимание, что Британская Третичная Область British Tertiary Province характеризуется особым составом высоко-магниевой магмы ( 22%MgO). Такое обилие магния обычно означает высокую степень расплавления мантии, что требует большого количества тепловой энергии, которая только и может быть достигнута быстрым притоком энергии плюма из глубины. Эти высокотемпературные магмы имеют дополнительную тепловую энергию, которая может вызвать таяние пород верхней и нижней коры и литосферы. Наверное поэтому здесь так много гранитной магмы (например Red Hills, Skye; Northern Granite, Arran), появившиеся в пределах 1-2 Му из высокотемпературных мафических магм.
Не все горячие точки имеют высоко-температурные обогащенные магнием магмы. Некоторые из них имеют очень разнообразный состав элементов (к примеру лавы Исландии или лавы осторвов Гавайи). Это происходит потому, что глубинно-мантийные плюмы не всегда поднимаются непосредственно к поверхности в системе горного хребта. Если эти потоки схватываются нисходящей ячейкой конвекции в верхней мантии, то они могут выйти боком со срединным материалом, занесенным с глубин неоднородности в 700км. (слой Ringwood "megalith") и большой части энергии плюма может быть использована в мобилизации этого материала, который был поднят к поверхности менее энергичым плюмом под островами океана, а не под океаническим плато.

Коматиты и докембрианские пояса гринстоун
Коматиты - очень высокотемпературные лавы с содержанием MgO до 33 %. Объяснить их происхождение большими глубинами - самый легкий способ достигнуть таких высоких температур ликвида. Такие высокие температуры (> 1600°C) могли только быть достигнуты в мантии ранней (архейской) Земли. Однако это опровергает открытие коматитовых лав на маленьком острове Gorgona недалеко от Колумбии, в Romeral в поясе Coca в Колумбии, и на Curaçao в Карибском море среди меловых лав.
В настоящее время Колумбийские/Карибские образования иллюстрируют и другой аспект плюмов. В первую очередь здесь очень много мафического материала, рассеянного вокруг Карибского моря.
Весь этот мафический материал имеет возраст 87Ma и сформирован в горячей точке Galapagos. Теперь, тогда большинство океанской коры этого возраста субдукцировалось под Анды, становится ясным, что это плато было слишком горячим для субдукции и вместо этого оно было вздыблено (obducted) на континентальный край Колумбии. Может ли это подразумевать, что докамбрианские пояса гринстоун являются зоной обдуцированных океанских плато?
Докембрианская Тектоника плит?
Так как коматиты обычны в архейском (> 2.5 Ga), а гринстоун в ранне-протерозоском возрасте (примерно 2.1 Ga), это может означать либо что мантия была более горячей в докембрии (Burke & Kidd, 1978), или что глубинные плюмы, сформировавшие плато, которые экспозируется в настоящее время как пояс гринстоун, были более важны в докембрианской тектонике чем тектоника плит (Storey и др. 1991). Arndt (1983) желает видеть горячую тонкую коматитовую океанскую кору в архее. Hargreaves (1986) утверждает, что более высокие температуры означают большую высоту хребтов в архее и поэтому более меньший размер плит; это однако не означает большее напряжение плит. Смотрите также Nisbet и Fowler (1983) и Fyfe (1978). Так что есть общее согласие, что без напряжения плит, которое является столь важными в современной плито-тектонике, вероятно, не было тектоники плит (хотя, возможно, была субдукция).

ПЛЮМЫ

Плюмы на поверхности Земли представлены в виде вулканических излияний, как правило, щелочного состава (Добрецов и др., 2001). Природа плюмов базируется на идеях тепловой и химической дифференциации и их возникновение увязывают 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. Приводимые авторами монографии "Глубинная геодинамика" (Добрецов и др., 2001) результаты лабораторных исследований и численных расчетов не убедительны, хотя бы потому, что не учитывают ротационный режим Земли, дифференциальное вращение геооболочек (которое подтверждается даже в каркасе горячих точек) и данные спутниковых наблюдений (Аксенов, 1977; Bursa, 1983).

References
Провинции массовых излияний изверженный пород
Земля.Горячиe Точки, interior
Карта Горячих Точек
Сибирская трапповая провинция