 | “Горячие Точки” и Мембранная Тектоника |
Впервые высказанная Т. Вильсоном (1963) идея существования в мантии “горячих пятен”, над которыми возникают вулканы типа Гавайских, после работ В. Моргана (1971, 1972), попытавшегося дать ей теоретическое объяснение, приобрела большую популярность. Согласно В. Моргану, в мантии существуют горячие струи – плюмы, поднимающиеся с уровней нижней мантии к основаниям литосферных плит и “прожигающие” их, в результате чего и возникают внутриплитовые вулканы. Принимается, что положение “горячих точек” как бы фиксировано по отношению к нижней мантии. Появилось множество работ по определению “абсолютных” движений литосферных плит по цепочкам вулканов, якобы оставшихся на поверхности Земли в виде следа “прожигания”.
Физических основ и соответствий с геологическими данными у этой идеи не более, чем у гипотезы “расширяющейся Земли”. По геологическим данным в вулканах, ассоциируемых с “горячими точками”, изливаются щелочные базальты, но известно (Грин, Рингвуд, 1968), что такие базальты выплавляются в области существования шпинелевых пиролитов (лерцолитов) при околосолидусных температурах, т. е. магмы щелочных базальтов являются не горячими, а предельно остывшими расплавами, которые могут существовать только непосредственно под подошвой литосферы при малой степени парциального плавления мантийного вещества. При высоких температурах, существенно превышающих солидус мантийного вещества, т.е. при высоких степенях парциального плавления пиролита, должны были бы выплавляться пикритовые базальты или даже коматииты. Об этом же говорят и эксперименты по фракционной кристаллизации базальтовых магм. Действительно, щелочные базальты возникают только как остаточные жидкости при охлаждении и кристаллизации исходных оливин-базальтовых магм в условиях повышенных давлений (Иодер, Тилли, 1965), соответствующих РТ-условиям, существующим непосредственно под зрелыми океаническими плитами возрастом от 20 до 100–120 Му и мощностью 40–80 км. Температура щелочных лав, извергающихся в вулканах “горячих точек” лежит в пределах 1100–1200 °С, тогда как приведенное к поверхности значение адиабатической температуры мантии приблизительно равно 1320 °С, а ее пересечение с экспериментально определенной температурой плавления мантийного вещества происходит на глубинах около 80 км. Следовательно, только в пределах этих глубин и могло происходить зарождение самих базальтов.
Если бы плюмы зарождались в нижней мантии, как предполагали создатели гипотезы “горячих точек”, например, на глубине 1000 км (это только верхняя часть нижней мантии), то именно на такой глубине возникали бы и сами очаги первичных расплавов. Учитывая, что на этих глубинах температура плавления силикатов достигает 3500оС, легко определить, что, попадая на поверхность температура расплавов равнялась бы 2100оС, т.е. оказывалась бы перегретой приблизительно на 800оС, чего не происходило даже в архее, когда мантия была перегретой на 300–500оС и в обилии порождала коматиитовые расплавы.
Не увенчались успехом и все попытки установления с помощью сейсмических методов магматических струй перегретого вещества в глубокой мантии под Гавайскими островами: никаких аномалий в подлитосферной мантии обнаружить не удалось. По этому поводу Д. Браун и А. Массет, авторы книги “Недоступная Земля” (1984), отмечают, что сейсмические исследования не подтверждают существования в мантии плюмов.
Также по геологическим данным установлено, что основная фаза вулканизма Гавайских островов, сформировавшая о. Оаху, закончилась около 3 Ма. С тех пор возникли поверхности выравнивания и глубокие эрозионные долины, но в течение более чем 2 Ма никакой вулканической деятельности там больше не происходило. Однако в четвертичное время, около нескольких сотен тысяч лет назад, вулканическая активность внезапно вновь проявилась и закончилась лишь около 30 тыс. лет назад, сформировав свежие излияния и вулканические постройки гонолулской серии. За 2 Му перерыва существовавший ранее магматический канал должен был бы раскристаллизоваться и прочно затампонироваться. Старая “горячая точка” в это время продолжала “действовать” на южном острове архипелага Гавайи, а о. Оаху за эти 2–3 Му переместился к северо-западу от места активного вулканизма на 200–300 км. По-видимому, такой короткий импульс повторного вулканизма Гонолулской серии (после длительного перерыва вулканической активности) можно объяснить только повторным образованием трещины в литосферной плите под о. Оаху.
Идея горячих точек полностью несовместима с концепцией конвектирующей мантии, лежащей в основетеории тектоники литосферных плит, т.к. в охваченной конвективными движениями мантии, будь то тепловая или тем более химико-плотностная конвекция, распределение температуры всегда близко к адиабатическому с приведенной к поверхности температурой около 1320оС. Следовательно, в такой мантии глубже 80 км (т.е. глубже перехода шпинелевых лерцолитов в гранатовые) никаких ювенильных расплавов нет. Тем более этот запрет полностью
относится к нижней мантии. Кроме того, в конвектирующей мантии происходит постоянное перемешивание вещества, и поэтому совершенно исключается предположение о существовании в ее глубинах каких-либо участков локального перегрева на 1000–2000 °С вещества. Для перегрева потребовались бы природные радиоактивные реакторы с ураганными концентрациями радиоактивных элементов. Но в мантии таких элементов мало, к тому же они равномерно распылены по мантийному веществу (их вклад в эндогенные энергетические процессы не превышает 8–10%).
Предвидя возражения с напоминанием о генерации кимберлитовых, лампроитовых, карбонатитовых и щелочно-ультраосновных магм на глубинах бoльших 80 и вплоть до 250 км, обратим внимание на то, что температуры этих магм не превышают 1000–1100оС, а происхождение всех этих экзотических расплавов легко объяснется переплавлением докембрийских водонасыщенных и богатых окислами железа карбонатно-силикатных океанических осадков, затянутых на такие глубины под архейские континенты по древним зонам поддвига плит (О.Сорохтин, Ф.Митрофанов, Н.Сорохтин, 1996). Возможность затягивания железистых (тяжелых) осадков на такие глубины показана в работе А.С. Монина и О.Г. Сорохтина (1986), а температура плавления водонасыщенных осадков даже при давлениях около 50–70 кбар, не превышает 600–900 оС.
Для того, чтобы проплавить вещество литосферы, необходимо подвести к ее подошве достаточный запас тепла. Если считать, что “прожигание” узкого магматического канала происходит теми же магмами, которые поступают в вулканический канал, то исходная температура таких магм должна превышать температуру астеносферы на те же 1000–1500оС, что исключено. С точки зрения гидродинамики узкие плюмы не могут порождаться мантийным массообменом, так как для этого нужен перегрев вещества на многие сотни градусов, а вместо щелочных лав в вулканах, расположенных над такими горячими плюмами, изливались бы только коматииты.
Иногда в качестве доказательства существования “горячих точек” и привноса в них вещества из более глубокого “недеплетированного” резервуара мантии приводят стронциевые отношения 87Sr/86Sr = 0,7030–0,7036, слегка превышающие таковое для толеитов срединно-океанических хребтов 87Sr/86Sr = 0,7027. Но эту разницу изотопных отношений легко объяснить и без этого, так как фракционное плавление мантийного вещества на глубинах подлитосферной мантии при умеренных давлениях 7 - 20 кбар и близких к солидусу температурах приводит к расплавлению щелочных пироксенов, содержащих радиоактивный рубидий 87Rb. При этом в расплав переходит избыточный радиогенный 87Sr, который накапливался в кристаллических решетках пироксенов за счет распада 87Rb еще до момента попадания данной порции мантийного вещества на уровень астеносферы. При меньших же давлениях и бoльшем парциальном плавлении мантийного вещества под срединно-океаническими хребтами в расплав переходят кальциевые пироксены и полевые шпаты, основные носители стронция, “запомнившие” отношения 87Sr/86Sr со времени предыдущего цикла расплавления мантийного вещества в астеносфере, происходившего в прошлом конвективном цикле, характеризовавшемся меньшими значениями таких отношений.
Магматизм так называемых “горячих точек” оказывается предельно холодным и никак не связанным с глубокой (нижней) мантией. Поэтому попытки определить по “горячим точкам” абсолютные перемещения литосферных плит не состоятельны. Однако внутриплитовый магматизм появляется только в тех случаях, когда в литосферной оболочке возникают сквозные трещины, дренирующие верхние слои астеносферы и заполняемые поступающими из них расплавами. Отсюда следует, что как океанический, так и континентальный рифтогенез возникают только при расколах литосферных плит под влиянием растягивающих напряжений, как это и следует из модели пассивного рифтогенеза Ю.Г. Леонова (2001).
При таком механизме возникновения внутриплитового магматизма его геохимия и термодинамика определяются только давлением и температурными условиями в подлитосферной мантии, а также глубиной проникновения в нее дренирующих трещин. С этим механизмом согласуются геологические данные по магматизму такого типа и экспериментальные результаты по плавлению
пиролита (лерцолитов) при разных РТ-условиях без привлечения дополнительных гипотез. Единственный вопрос – механизм возникновения самих литосферных расколов и трещин.Такие расколы могут возникать и под влиянием конвективных течений в мантии (пример тому – Восточно-Африканская рифтовая система), а также под влиянием столкновения плит и давления со стороны соседних плит (как это происходит в Восточной Азии и Забайкалье). Но такие расколы не создают иллюзий стоящих на месте магматических центров типа Гавайских вулканов. В этом отношении плодотворной является гипотеза Д. Таркота и Е. Оксбурга (1978), согласно которой литосферные плиты, перемещаясь по поверхности горячей мантии, вынуждены приспосабливаться к переменной кривизне эллипсоида вращения Земли. И хотя радиусы кривизны литосферных плит при этом меняются несущественно (всего на доли процента), их деформация вызывает в теле крупных плит появление избыточных напряжений растяжения или сдвига порядка сотен бар. При наличии в астеносфере жидких расплавов, способных заполнять собой образующиеся трещины и принимать на себя всестороннее гидростатическое давление вышележащих пород, такие напряжения достаточны для раскола литосферы от ее основания и до поверхности. Если же теперь крупная литосферная плита, например Тихоокеанская, перемещается из низких широт в более высокие, то в теле такой плиты должны постепенно нарастать напряжения растяжения. После достижения ими предела прочности пород на разрыв в литосферной оболочке, лежащей на пропитанном жидкими базальтовыми расплавами астеносферном слое, будет происходить раскол и образование заполняемой этими же расплавами трещины. В результате базальтовым магмам открывается доступ из-под подошвы литосферы на ее поверхность с образованием вначале покровных излияний, а затем и вулканических построек. При длительном действии такого механизма на критических широтах около 18–20о с. ш. (на которых напряжения растяжения достигают предела прочности пород на разрыв) возникнет “бегущая” трещина, на острие которой постоянно будут происходить излияния базальтовых лав.
В 1990 г. О.Г. Сорохтин опустился на глубоководном обитаемом аппарате “Мир” на дно Тихого океана к югу от действующего подводного вулкана Лоихи (расположенного южнее о. Гавайи), вблизи от начала вновь формирующейся трещины раскола литосферы. В месте погружения совершенно свежие, не присыпанные осадками базальтовые лавы с подушечной текстурой залегают в виде покрова непосредственно на осадках. В центральных частях этого покрова отчетливо видны открытые трещины – гъяры метровых размеров, явные следы растяжения пород. К северо-западу площадь и мощность базальтовых покровов последовательно возрастала, пока постепенно не перешла в подножие молодого подводного вулкана Лоихи. Эта картина базальтовых излияний к югу от Гавайских островов практически однозначно свидетельствует о функционировании здесь механизма разрыва Тихоокеанской литосферной плиты, а не ее проплавления мантийным веществом “горячей точки”. Если после залечивания первого разлома (благодаря охлаждению и полной кристаллизации магмы в подводящем канале) напряжения растяжения все-таки продолжают возрастать, то может возникнуть новая трещина и произойти повторный импульс вулканизма, как это и наблюдалось в голоцене на о. Оаху в Гавайском архипелаге.
После полного развития раскола кривизна литосферы вновь приспосабливается к форме эллипсоида вращения Земли, напряжения в ней исчезают, а базальтовые магмы, когда-то внедрившиеся в образовавшиеся трещины, полностью остывают, кристаллизуются и вновь спаивают воедино расколовшуюся было литосферную плиту, но остающиеся на ее поверхности потухшие вулканы четко отмечают путь движения плиты над критической широтой (но не долготой и тем более не над “горячей точкой”).
При движении плит из высоких широт в низкие вместо напряжений растяжения в них появляются напряжения сжатия (действующие в широтном направлении), и как следствие в таких плитах возникает ортогональная система сдвиговых деформаций, ориентированная под углом 45° к направлению главных сжимающих напряжений. В узлах сети сдвиговых деформаций (на пересечении сдвигов) возникают изолированные каналы – зияния, по которым происходят вулканические извержения, создающие затем площадные группы вулканических островов. Как и в предыдущем случае, эти острова также формируются на критических широтах (но не долготах).
Если взять Тихоокеанскую плиту, то архипелаги таких островов возникают приблизительно на 25–30° ю. ш. и всегда тяготеют к ослабленным зонам трансформных разломов. На этих же широтах в середине мелового периода возникли многочисленные вулканические острова, превратившиеся в позднем мелу в плосковершинные гайоты. К настоящему времени все гайоты этого возраста уже переместились в Северное полушарие.
Количественная оценка соответствия мембранной гипотезы реальной обстановке возникновения внутриплитового вулканизма гавайского типа на Тихоокеанской плите, если для расчета использовать параметры эллипсоида вращения Земли: экваториальный радиус Rэ =6378,16 км, полярный радиус Rп = 6356,78 км показывает следующее: эксцентриситет эллипсоида вращения Земли очень небольшой, всего е = 1/298,3, что позволяет приближенно решать задачу о деформациях, перемещающихся по поверхности Земли литосферных плит с использованием только упрощенных моделей.
Рассмотрим движение крупной литосферной плиты от экватора на север. Благодаря жесткости плиты и разности радиусов ее кривизны на экваторе и на более высоких широтах в ее центральной части возникает подобие арки амплитудой в сотни и более метров (на полюсе высота такой “арки” превышала бы 21 км). Если в качестве примера взять Тихоокеанскую плиту и учесть, что на ее флангах (по краям плиты) отсутствуют упоры, поскольку в этих местах плита по зонам субдукции погружается в мантию