 | Магматические потоки |
Имеется несколько моделей вещества верхней мантии (Рингвуд, 1972 и др.).
Плавление мантийного вещества приводит к выделению огромных масс базальтовой магмы и образованию астенолитов – обособленных тел базальтового расплава (В.В.Белоусов, 1966), имеющих меньшую плотность по сравнению с материалом астеносферы, и поэтому обладающих тенденцией к подъему.
Ф.А.Летниковым (2002) предложена другая модель плавления верхней мантии с соответствующим магматическим и вулканическим эффектом, согласно которой в "позднем архее сформировались две сопоставимые по масштабам флюидизированные системы Земли: существенно восстановленная, локализованная в жидком и твердом ядре, и астеносферная, подстилающая континентальную истощенную мантию и океаническую земную кору". При этом восстановленные флюидные системы ядра отделяются от него по механизму теплового взрыва в виде плюмов – существенно H-N-C-S газовых систем с Т ~4000оС и P >1 млн. бар. Плюмы, поступая в существенно кислородную мантию, активно взаимодействуют с ее веществом и "прожигают", а убыль тепловой энергии восполняют за счет экзотермических реакций восстановленных газов с кислородом силикатной матрицы. Под действием плюмов происходит площадное и длительное плавление пород верхней мантии, обогащение их Si, Mg, Ni, Co, Cr, V, Cu, Au, Pt и элементами платиновой группы.
Согласно экспериментам Х.Рамберга (1970), по моделированию образования куполовидных поднятий в условиях инверсии плотностей, при подъеме легкого материала (для астеносферы базальтового астенолита или вещества плюма), когда на его пути встречается непроницаемый слой литосферы, происходит растекание материала в стороны. Растекание вызывает растяжение и утонение вышележащего слоя. Однако в условиях быстро вращающейся Земли подъем вещества к поверхности должен проходить по восходящей спирали.
Часть кинетической энергии образовавшихся спиральных вихрей, благодаря внутреннему трению, которое возникает при вязком течении вещества астеносферы, переходит в тепловую, нагревая и частично расплавляя надастеносферный слой литосферы. Результатом является снижение общей вязкости литосферы до величины, близкой к таковой в астеносфере. Поэтому с астеносферой в движение вовлекается и расположенный над ней участок литосферы. В итоге спиральный астеносферный вихрь становится выраженным в рельефе. Расплавленный магматический материал подается по ослабленным зонам разрежения в вихревой структуре на поверхность, формируя спиралеобразные в плане цепочки вулканов и вулканических поднятий. В пределах океанических акваторий "изваянные в камне" следы подобных вихрей могут сохраняться на протяжении многих десятков миллионов лет (наиболее древние имеют возраст до 90-100 Ма).
Морфоструктурным выражением на поверхности Земли активного восходящего вихря служит свод. Возникновение его предопределено разуплотнением мантии в результате интенсивного выноса оттуда глубинного вещества и увеличения объема литосферы за счет ее нагрева и частичного расплавления.
Однако морфология конкретных сводов и характер вулканизма в их пределах будут зависеть от типа, строения и возраста литосферных плит над зоной восходящих конвективных потоков мантийного вещества.
Здесь возможны три случая, когда возникновение свода происходит на месте: древней материковой плиты, молодой платформы и океанической плиты.
В первом случае (Гондванский свод) преобладает "мертвая" и жесткая земная кора, поэтому вещество коры мало участвует в магматическом процессе. Рост свода сопровождается многочисленными расколами коры. В кульминационные моменты происходят катастрофические вулканические взрывы чаще всего без массового выброса ювенильного пирокластического материала.
В зонах глубинных расколов имеет место интенсивный основной вулканизм – излияния выплавленных из астеносферы базальтов (исключение - нагорье Тибести в центре Африки).
Возникновение свода на месте молодой платформы, где кора более пластичная и содержит какое-то количество сохранившего свою активность и тепло магматического вещества, сопровождается мощным кислым и основным вулканизмом, последний возможен как за счет ювенильного вещества астеносферы, так и за счет вновь активизированного магматического материала коры. Этот случай характеризуют отдельные участки Тихоокеанского подвижного пояса.
В третьем случае (Поднятие Дарвина в Тихом океане) эксплозивный вулканизм имеет подчиненное положение, а главная роль принадлежит массовым базальтовым излияниям на дне океанов.
Образуется огромное количество крупных подводных базальтовых вулканов и островов-вулканов.
Магматические потоки от главного вихря распространяются на большое расстояние под материковые плиты азиатского и американских континентов.
Вихри II порядка по периферии Тихого океана тоже генерировали магматические потоки разных рангов и размеров. В качестве примера можно привести магматические потоки хребта Бауэрса и вулканического массива Вулканологов в юго-западной части Берингова моря, многочисленные магматические потоки Центральной Америки, магматический поток Snake River в Северной Америке (Smith, Braile, 1993).
По В.В.Белоусову (1966), скопление остаточных продуктов в астеносфере в пределах участка, откуда отделился астенолит, приводит к образованию более тяжелого, по сравнению со средней плотностью, вещества астеносферы-антиастенолита, который должен погружаться вниз, приводя к возникновению в астеносфере прогиба. Опускание антиастенолита приведет к образованию спирального антициклонального вихря.
Вращение верхнего циклонического и нижнего антициклонального вихрей в противоположном направлении через какое-то время вызовут ослабление, а затем и прекращение деятельности восходящих конвективных потоков мантийного вещества. Следствием этого будет прекращение роста свода, его разрушение и некоторое опускание.
В течение активной стадии деятельности антициклонального вихря в зоне нисходящих конвективных потоков, наоборот, происходит опускание земной коры, а выплавленный материал в результате вращения вихря подается на поверхность по зонам растяжения вихревой структуры, приводя к мощному вулканизму (Сибирская трапповая провинция).
Тормозящее действие на работу антициклонального вихря оказывают вторичные циклонические вихри зон растяжения, тогда как опускание антиастенолита стимулирует его деятельность. Последним объясняется большая продолжительность вулканизма в пределах зон нисходящих потоков. Следами вторичных циклонических вихрей можно считать крупные (до 100 км и более в поперечнике) кольцевые дайки траппового комплекса в Тунгусской синеклизе, имеющие в плане близкие к спиральным очертания. После прекращения активной работы вихря земная кора этого участка начинает интенсивно подниматься и размываться.
Предполагается, что зона восходящих потоков мантийного вещества была приурочена к материку Гондваны. Под Гондваной возник циклонический вихрь, а под Лавразией – антициклональный. Под воздействием восходящего мантийного вещества и частичного плавления литосферы, Гондвана испытала сводовое поднятие (Хаин, 1971 и др.). В кульминационную стадию воздымания свода произошла серия катастрофических вулканических взрывов, способствовавших расколу Гондваны.
Вращением Гондванского циклонического вихря по часовой стрелке можно объяснить "разбегание осколков" Гондваны: Африки, Австралии, Южной Америки, Индии. В связи с тем, что Антарктида оказалась в центре вихря, она практически не переместилась по горизонтали, так и оставшись в околополярной области. Вращением вихря хорошо объясняется также и аппроксимация древних зон расколов, ограничивавших Антарктиду логарифмической спиралью, рассчитанной О.Г.Сорохтиным (1974).
В зоне нисходящих потоков мантийного вещества одновременно происходило формирование траппов Сибири.
Наиболее интенсивная фаза траппового магматизма имела место в интервалах 250-215 Ма, а образование кимберлитовых трубок произошло 240-250 Ма.По данным изучения трапповой формации Восточной Сибири (Масайтис, 1973), первые фазы ее формирования сопровождались исключительно сильным эксплозивным вулканизмом. Современное местонахождение кимберлитовых трубок на периферии трапповой провинции Восточной Сибири объясняется общим поднятием Восточной Сибири после ослабления и прекращения траппового магматизма и вулканизма. Об этом, в частности, свидетельствует выход на дневную поверхность многочисленных внедрившихся на глубине силлов. В результате значительного (порядка нескольких километров) денудационного среза кимберлитовые трубки были уничтожены до основания, сохранившись лишь в пределах наименее поднятых участков.
Это согласуется с предполагаемым характером вертикальных тектонических движений в зоне нисходящего антициклонального вихря на разных стадиях его развития.
На ранних стадиях литосфера в области такого вихря испытывает интенсивное опускание. После прохождения вихря для подвижного типа или прекращения его деятельности для стационарноготипа, литосфера должна испытать поднятие для восстановления изостазии. По закону взаимодействия вихрей, два вихря, равные по абсолютной величине и знаку интенсивности, вращаются вокруг оси, проходящей через середину расстояний между ними. Интенсивность нисходящего и восходящего вихрей можно одинакова, так как это одна и та же конвективнная ячейка и в этом случае где-то в экваториальной зоне (примерно вдоль зоны Тетиса) должен был образоваться глобальный супер-сдвиг субширотного простирания.
Такова, по-видимому, причина разделения материка Пангеи на Гондвану и Лавразию и активизации зоны Тетиса.
В зонах растяжения, приуроченных к этому супер-сдвигу, происходит мощный вулканизм и формирование срединно-океанического хребта. В связи с подъемом мантийного вещества в пределах срединно-океанического хребта возникает множество локальных восходящих циклонических спиральных вихрей.
Взаимодействие локальных вихрей с ранее существовавшими глобальными нисходящими и восходящими вихрями приводит к появлению все новых и новых зон глубинных расколов, а следовательно, к образованию все большего количества новых локальных конвективных ячеек и их систем. В итоге литосфера раскалывается на множество перемещающихся друг относительно друга фрагментов – теперешних крупных и мелких материковых и океанических плит.
Вынос глубинного мантийного вещества через сложную и протяженную систему глубинных расколов привел к ослаблению, а затем и прекращению деятельности глобальной конвективной ячейки. Судя по датировкам возраста траппов Восточной Сибири (Лурье, 1974 и др.), это произошло около 200 Ма.
Последовавшая позднее эпоха была временем формирования новых участков океанического дна и активного перемещения литосферных плит. Около 200 Ма произошли массовые базальтовые излияния на восточном побережье США (базальты серии Ньюарк) и возникли два крупных рифта, что привело впоследствии к образованию первичных бассейнов Атлантического и Индийского океанов (Диц, Холден, 1974). В конце юры (~135 Ма) начала формироваться новая рифтовая трещина, разделившая Южную Америку и Африку.
В течение мезозойского этапа система конвективных потоков была более сложной. По всей вероятности, наряду с главной структурой конвекции в мантии существовало большое количество локальных конвективных ячеек, связанных с возникновением системы срединно-океанических хребтов и движением плит. Можно предполагать, что зона восходящих конвективных потоков (или суперплюм) была приурочена к огромному (4000х10000 км) Поднятию Дарвина в Тихом океане, а центр парной ей зоны нисходящих конвективных потоков находился на противоположной стороне земного шара (координаты вероятного центра 40о ю.ш., 20о в.д.). Над зоной нисходящих конвективных потоков была в то время переместившаяся сейчас на северо-восток южная часть Африки, где сосредоточены кимберлитовые трубки мезозойского возраста. По определениям относительного и абсолютного возраста кимберлитов (Хаин, 1971; Allsopp, Barret, 1975), выделяются два интервала кимберлитообразования: 120-115 и 90-85 Ма. Оба интервала совпадают с кульминационными моментами роста Поднятия Дарвина, с которым связывается самая обширная меловая трансгрессия эпиконтинентальных морей. В частности, по данным П.Э.Дэмона (1973), два максимума площадей эпиконтинентальных морей наблюдались в туроне (85-90 Ма) и альбе (115 Ма).
Механизм образования кимберлитовых трубок Африки такой же, как и Восточной Сибири.
При возникновении в зоне нисходящих потоков мантийного вещества вихря, закрученного против часовой стрелки, а в зоне восходящих потоков вихря с вращением по часовой стрелке, должно было происходить поступательное движение вихрей в северном направлении, что и наблюдалось в реальной обстановке, так как по данным всех реконструкций Африканская, Индийская и Австралийская плиты перемещались в это время на север.
Преобразование литосферы южной части Восточного полушария тесно связано с работой двух огромных спиральных нисходящих вихрей, активных в конце мезозоя и в кайнозое – Восточно-Африканского и Южно-Азиатского. Оба они расположены в приэкваториальной области.
Взаимодействие вращавшихся в противоположных направлениях западного и восточного вихрей послужило, вероятно, причиной быстрого движения на север Индийской плиты: она как бы выдавливалась в северном направлении двумя "валками"-вихрями.
Коллизия Индии с Евразиатским континентом привела, как показали Дж.Паккэм и Д.Фалви (1974), к существенной перестройке земной коры на севере восточного полушария, перестройке переходной зоны северо-западного сектора Тихоокеанского подвижного пояса, резкому усилению эксплозивного вулканизма непосредственно после коллизии, формированию современной системы островных дуг и родственных им структур, возникновению глубоководных впадин окраинных морей (Японского, Охотского и др.). Зарождение перечисленных структур и интенсификация вулканической деятельности оказались следствием активизации в переходной зоне нисходящих астеносферных вихрей.
С продвижением на север волны астеносферного вещества, возникшей при столкновении Индии и Евразии, связано формирование Байкальской рифтовой области и проявление там и в Монголии кайнозойского вулканизма.
Вполне вероятно, что следствием этой же причины является высокая сейсмичность Байкальской рифтовой зоны и сопредельных территорий.
Source: http://geo.web.ru/Mirrors/ivs/publication/whirlwinds/Melekesev.htm И.В.Мелекесцев
Институт вулканической геологии и геохимии ДВО РАН
РОЛЬ ВИХРЕЙ В ПРОИСХОЖДЕНИИ И ЖИЗНИ ЗЕМЛИ