 | ВУЛКАНО-МАГМАТИЧЕСКИЕ ВИХРИ И ГЛУБИННЫЕ МАГМАТИЧЕСКИЕ ПОТОКИ |
Мантийное питание вулканов признано давно. Однако все еще остается вопрос об их пространственном размещении. Картографический материал, аэро- и космические снимки поверхности Земли, а также планет земной группы, анализ детальных новейших гипсометрических, геоморфологических и геологических карт океанов, снимки ориентировки доледниковых и послеледниковых зон трещинных извержений дали возможность наблюдать вулканизм начиная с ранних стадий эволюции планет земного типа. С поправками на специфические условия Земли, данные были использованы при реконструкции земного докембрийского вулканизма.
Данная вихревая вулканическая гипотеза является развитием идей Ли Сы-гуана (1958), высказанных им в работе о вихревых структурах Северо-Западного Китая.
Выявлена характерная спиральная ориентировка в расположении вулканических островов и поднятий и зон разрывных тектонических нарушений в пределах различных участков Северного и Южного полушарий Земли, часть спиралей закручена по часовой стрелке, а часть – против. Наблюдаемые на поверхности структуры являются отражением глубинных спиральных вихрей циклонического и антициклонального типов, приуроченных к астеносфере Земли. Поперечник вихревых структур варьирует от нескольких сот до 4500-5000 км.
Спиральные вихри твердой оболочки Земли могут быть подвижными и субстационарными.
Субстационарные "антициклональные" вихри располагаются в районе Бермудского вулканогенного поднятия, Азорских островов и островов Зеленого Мыса, моря Банда, южных частях Охотского и Берингова морей, на Камчатке и во многих других местах.
По сути и механизму образования спиральные вихри антициклонального типа – астеносферные "мальстремы", гигантские воронки, пронизывающие верхние оболочки земного шара. Для фанерозойского отрезка истории развития Земли возможно предположить три главные причины возникновения этого типа вихрей:
П о д д в и г о к е а н и ч е с к и х п л и т п о д м а т е р и к о в ы е .
Образование здесь нисходящих вихрей обусловлено резким возрастанием нагрузки на астеносферный слой при поддвигании плит. В этой ситуации происходит выжимание базальтовых жидкостей с уровней астеносферы, расположенных ниже подошвы литосферы, а под влиянием вращения Земли выдавленная жидкость начинает движение по спирали, приводя к зарождению нисходящего вихря.
Возникновение антициклональных вихрей служит одной из причин распространения в переходных зонах глубоководных впадин окраинных морей с повышенным региональным тепловым потоком (типа Южно-Охотской и Командорской котловин) и существования аномально падающих участков зоны Беньофа – их можно рассматривать в качестве крутопадающих глубинных сколов, ограничивающих тело вихря от неподвижной части литосферы, или сколов, разделяющих зоны сжатия и разрежения в пределах самого вихря. Падение и ориентировка склонов круто падают к центру того вихря, с которым связано их образование.
Эпицентр одного из таких вихрей располагается сейчас в районе залива Сагами (восточное побережье о.Хонсю, Япония), где происходит сочленение Японской и Идзу-Бонинской островных дуг. Геодезические работы 1884-1896 и 1924-1925 гг. показали (Fujwara et al., 1933), что залив Сагами служит центром горизонтального вращения антициклонального типа. Угол вращения равен в среднем 3х10-5 радиана. После катастрофического землетрясения 1923 г. здесь измерены горизонтальные перемещения вдоль линии сдвига от 5-9 до 12.5 фута.
В Японии, насколько можно судить по анализу горизонтальных деформаций суши по результатам около 300 триангуляционных пунктов I класса, проведенному Т.Харада (Рикитаке, 1962), хорошо выражены следы еще по крайней мере двух вихревых структур. Эпицентры их находятся к юго-востоку от о.Сикоку и к востоку от северной оконечности о.Хонсю.
Г о р и з о н т а л ь н ы е с м е щ е н и я б л о к о в к о р ы
Этот случай рассмотрен в работе Ли Сы-гуана (1958).
Легко увязываются с нисходящими вихрями переходных зон и обнаруженные в последние годы глубоко в мантии гигантские фрагменты-слэбы "холодных" океанических плит (р-ны Алеутских островов, о-вов Новой Зеландии, Памира и т.д.). Наличие последних обусловлено прекращением активности вихря по какой-либо причине на ранних стадий его развития.
Возможно также, что вращение вихрей – причина самых глубоких землетрясений в переходных зонах.
П е р е г р у з к а
Вне переходных зон главная причина возникновения нисходящих спиральных вихрей – большая нагрузка отдельных участков литосферы тяжелым изверженным магматическим материалом базальтового состава. Дело в том, что при кристаллизации базальтового расплава его плотность увеличивается: например, для диабазовой разности базальта примерно на 8.6% (Скиннер, 1969). В пределах перегруженных сверху базальтом участков литосферы возникают условия гравитационной неустойчивости, плюс выжатая из астеносферы под действием дополнительной нагрузки базальтовая жидкость приходит во вращение, приводя к возникновению спирального антициклонного нисходящего вихря в астеносфере (возможно сравнить с образованием подобного вихря при погружении в жидкость тел с плотностью большей, чем у самой жидкости -пример – тонущий корабль).
Нисходящие вихри, включающие твердые нерасплавленные фрагменты литосферы, как бы ввинчиваются в астеносферу.
Если такое предположение верно, то возникающие силы трения должны быть меньше, чем при обычном поддвигании плит.
Возникновение в верхних оболочках Земли, с одной стороны, типичных вихрей, как в жидкости или газе, а с другой – образование в них трещин раскола, как в твердых телах, объясняется двойственной природой вещества мантии. Как показано О.Г.Сорохтиным (1974), при длительных процессах (порядка 105-106 лет) вещество мантии ведет себя как очень вязкая жидкость, а при более коротких во времени нагрузках, как твердое тело. То же, по-видимому, можно предположить и в отношении литосферы, когда ее вязкость в результате дополнительного разогрева при зарождении вихря переходит порог пластичности, равный в среднем 1022 пуаз (Ушаков, Красс, 1972).
Спиральные вихри циклонического типа приурочены к зонам восходящих конвективных потоков, трассируемых на поверхности земного шара системой срединно-океанических хребтов и рифтовых областей.
Возникновение вихрей обусловлено двумя причинами: различной интенсивностью и скоростью подачи глубинного вещества наверх и неодинаковым возрастом отдельных участков глобальной системы срединно-океанических хребтов и родственных им структур.
Действующие "циклонические" вихри в настоящее время располагаются в районе Исландии, Эфиопии (область Афар), в пределах Восточно-Тихоокеанского поднятия (р-он островов Пасхи и Сала-и-Гомес) и в других местах. В первых двух районах наблюдается закрутка вихрей против часовой стрелки, что характерно для "циклонических" вихрей Северного полушария. Это легко обнаруживается по ориентировке выраженных в рельефе зон трещинных извержений и разрывных тектонических и вулкано-тектонических нарушений (Barberi et al.,1970). В последнем районе, расположенном в Южном полушарии, закрутка вихря по часовой стрелке видна по соответствующей ориентировке цепочек вулканов.
В Исландии оказалось возможным прямо измерить угол поворота вихря за последние несколько десятков тысяч лет. В южной части Исландии (район ледника Ватна-Йокудль) на космическом снимке, сделанном со спутника ERTS-1, хорошо видно, что линии трещинных извержений верхнеплейстоценового возраста, обработанные ледником, имеют простирание ССВ 25-27о, а для линий послеледниковых трещинных извержений характерно простирание ССВ 18-20о. Таким образом, угол поворота составляет здесь 7о.
В районе Йеллоустонского Национального парка есть геофизические данные существования "циклонического" вихря. По данным Г.Итона и др. (Eaton et al., 1975), комплексное исследование района показало присутствие частично расплавленного батолитоподобного тела, прослеживающегося в верхней мантии до глубины порядка 100 км. На поверхности наблюдается громадная (85х55 км) вулкано-тектоническая депрессия, с которой связаны мощные (до 900 км3 за один цикл) выбросы пирокластического материала.
Не исключено наличие крупной (1200-1500 км в поперечнике) вихревой структуры (системы структур?) циклонического типа на юго-западе США на северном продолжении Восточно-Тихоокеанского поднятия. Возможно, что с ней ассоциируются излияния огромных объемов базальтов Плато Колумбии (350 тыс. км3) и выброс более 200 тыс. км3 кислой пирокластики района Большого Бассейна.
Вращением этой структуры против часовой стрелки объясняется и характер горизонтальных подвижек по знаменитому разлому Сан-Андреас: движение американской плиты в юго-восточном направлении и тихоокеанской – в северо-западном.
Наиболее крупными из выраженных на поверхности Земли вихревых структур являются Восточно-Африканская и Южно-Азиатская, расположенные в приэкваториальной зоне.
Западный вихрь виден на карте рельефа дна Индийского океана и его обрамления. По его внешнему периметру проходит гигантская зона нарушения, трассируемая в Индийском океане подводным Аравийско-Индийским хребтом и зоной растяжения дна Аденского залива, а на территории суши - системой африканских рифтов от южной оконечности Красного моря до Мозамбикского пролива. Вращение вихря происходит против часовой стрелки, что указывает на его нисходящий, антициклональный характер, но в его пределах выделяется множество мелких вихревых структур циклонического и антициклонального типов, вращающихся в разные стороны в зависимости от своего типа и положения в Южном или Северном полушариях.Приуроченность к одному вихрю континентальной Восточно-Африканской рифтовой зоны и океанического Аравийско-Индийского хребта может указывать и на единство их происхождения.
Восточный вихрь имеет в настоящее время четкие границы лишь с южной, западной и отчасти северной сторон. Здесь естественными его границами служит сложно построенная Индонезийская дуга, а в Юго-Восточной части азиатского материка – зона выхода вулканогенных пород мелового и кайнозойского возраста, прослеживающаяся от Бенгальского залива до устья р. Янцзы, а также многочисленные разрывные нарушения. Вращение вихря происходило по часовой стрелке, но и здесь имеется большое количество разнообразных локальных вихрей, вращавшихся и продолжающих вращаться и по, и против часовой стрелки. Взаимодействием этих вихрей и объясняется чрезвычайно сложная геоморфология и геология данной области.
Усложнение строения частично, по-видимому, обусловлено еще и тем, что здесь происходит сочленение плит Индийского и Тихого океанов, а также материковых плит Австралии, Азии и Индии.
Нахождение на отдельных участках срединно-океанических хребтов нескольких самостоятельных, возникших в разное время и вращающихся с разной скоростью циклонических вихрей, вероятно, одна из главных причин появления трансформных разломов, образование которых легко объяснить взаимодействием вращающихся в одном направлении вихрей).
В зависимости от разницы в скорости вращения циклонических вихрей морфология и длина трансформных разломов будет также разной. С противоположной закруткой циклонических вихрей в Северном и Южном полушариях связано S-образное простирание Атлантического срединно-океанического хребта и его резкий изгиб в экваториальной зоне.
Возникновению и развитию трансформных разломов благоприятствует сосуществование рядом расположенных, но вращающихся в разные стороны циклонических и антициклональных вихрей.
Пространственными комбинациями в расположении вихрей обоих типов можно объяснить образование многих известных в настоящее время зон трансформных разломов.
Помимо отчетливо выраженных в рельефе региональных вихревых структур вероятно образование и глобальных структур, проявляющихся на поверхности не столь явно. Возможность возникновения таких вихрей вызвана вращением Земли вокруг оси и предполагаемым существованием в верхней мантии конвективных движений, связанных с плотностной дифференциацией вещества (расчеты Е.В.Артюшкова 1968, 1970 и О.Г.Сорохтина 1974). В соответствии с теорией плотностной дифференциации, в случае одной конвективной ячейки и при двухъячеистой конвективной структуре подразумевается горизонтальное течение вещества в астеносфере.
Однако по закону Кориолиса всякое тело, движущееся горизонтально на поверхности Земли (и в астеносфере), независимо от направления движения, отклоняется в Северном полушарии вправо, в Южном – влево, вследствие вращения Земли с запада на восток. В зоне восходящих конвективных потоков из-за оттока вещества мантии к земной поверхности давление должно падать, в результате чего создаются условия для образования вихрей циклонического типа, вращающихся в Южном полушарии по часовой стрелке, а в Северном – против. Наоборот, в зоне нисходящих конвективных потоков относительный рост давления способствует возникновению вихрей антициклонального типа, вращающихся в Северном полушарии по часовой стрелке, а в Южном – против.
В случае одной конвективной ячейки должны существовать два сопряженных между собой глобальных вихря: "циклонический" в зоне восходящих потоков вещества в мантии и "антициклональный" в зоне нисходящих потоков; в случае двух ячеек – две пары таких вихрей.
Наиболее благоприятна для возникновения обоих типов вихрей астеносфера, так как ее вязкость (~1019-1021 пуаз), на несколько порядков меньше по сравнению с литосферной (~1024-1025 пуаз) и более низких горизонтов мантии (~1024-1026 пуаз).