Исландия: Геологическое строение, вулканизм и роль мантийного плюма.

Введение

Горячая точка частично ответственна за вулканическую активность, сформировавшую Исландское плато и остров Исландия. Исландская горячая точка является одним из факторов, обуславливающих высокую вулканическую активность, в результате которой сформировались Исландское плато и остров Исландия. Она способствует пониманию геологических деформаций Исландии. Исландия – один из наиболее активных вулканических регионов мира, где извержения происходят в среднем примерно раз в три года (в XX и XXI веках до 2010 года зафиксировано 45 извержений вулканов на и вокруг Исландии). Около трети всей базальтовой лавы, извергнутой за всю историю наблюдений, было произведено в результате исландских извержений. К заметным извержениям относятся извержение Элдья, трещины Катлы, в 934 году (крупнейшее в мире базальтовое извержение, зафиксированное в истории), Лаки в 1783 году (второе по величине в мире), а также ряд извержений под ледниковыми шапками, вызвавшие разрушительные ледниковые наводнения, последнее из которых произошло в 2010 году после извержения Эйяфьядлайёкюдля. Расположение Исландии на Срединно-Атлантическом хребте, где расходятся Евразийская и Североамериканская плиты, частично объясняет эту интенсивную вулканическую активность, однако для объяснения того, почему Исландия представляет собой крупный остров, а большая часть хребта состоит из подводных гор с вершинами ниже уровня моря, требуется дополнительное объяснение. Считается, что помимо более высокой температуры по сравнению с окружающей мантией, горячая точка характеризуется повышенной концентрацией воды. Присутствие воды в магме снижает температуру плавления, что также может способствовать усилению исландского вулканизма.

Теории причинности

В настоящее время продолжаются дискуссии о том, обусловлена ли горячая точка глубоким мантийным плюмом или имеет происхождение на гораздо меньшей глубине. Фолгер и др. полагают, что исландский плюм простирается лишь до переходной зоны мантии и, следовательно, не может иметь тот же источник, что и плюм Гавайев. Однако Бижваард и Спакман считают, что исландский плюм достигает нижней мантии и, таким образом, имеет тот же источник, что и плюм Гавайев. В то время как гавайская цепь островов и подводные горы Императора демонстрируют четкий временной ряд вулканической активности, вызванный движением Тихоокеанской плиты над гавайской горячей точкой, подобного ряда для Исландии не наблюдается. Предлагается, что линия, соединяющая вулкан Гримсвётн и остров Суртсей, отражает движение Евразийской плиты, а линия, соединяющая вулкан Гримсвётн и вулканический пояс Рейкьянес, – движение Североамериканской плиты.

Теория мантийного шлейфа

Исландский плюм – это предполагаемое восходящее движение аномально горячей породы в мантии Земли под Исландией. Считается, что его источник находится глубоко в мантии, возможно, на границе между ядром и мантией на глубине около [укажите глубину]. Мнения ученых расходятся относительно того, зафиксировали ли сейсмические исследования такую структуру. В рамках этой концепции вулканизм Исландии объясняется влиянием этого плюма, согласно теории У. Джейсона Моргана. Предполагается, что под Исландией находится мантийный плюм, а горячая точка является его поверхностным проявлением. Присутствие плюма усиливает вулканизм, уже вызванный расхождением плит. Кроме того, потоковые базальты на континентальных окраинах Гренландии и Норвегии, наклонная ориентация сегментов хребта Рейкьянес относительно направления их разрастания, а также повышенная толщина магматической коры вдоль южных хребтов Эгир и Колбейнси могут быть результатом взаимодействия плюма со Срединно-Атлантическим хребтом. Считается, что ствол плюма достаточно узкий, возможно, около [укажите ширину] в поперечнике и простирается вниз, по крайней мере, на [укажите глубину] под поверхность Земли, а возможно, и до границы ядро-мантия, в то время как голова плюма может превышать [укажите диаметр] в диаметре. Предполагается, что отсутствие прогрессивной во времени цепочки подводных гор связано с расположением плюма под толстым Гренландским кратоном в течение ~15 млн лет после распада континента и последующим внедрением материала плюма в северную часть Срединно-Атлантического хребта после его формирования. Это совпадает с открытием Северной Атлантики в позднем палеоцене и раннем эоцене, что привело к предположению о связи появления плюма с распадом Североатлантического континента и, возможно, его участием в этом процессе. В рамках гипотезы о плюме вулканизм был вызван потоком горячего материала плюма сначала под толстой континентальной литосферой, а затем под литосферой растущего океанического бассейна по мере продвижения рифтинга. Точное положение плюма в то время является предметом споров среди ученых, как и вопрос о том, поднялся ли плюм из глубокой мантии только в то время или он гораздо старше и также ответственен за древний вулканизм в Северной Гренландии, на острове Элсмир и на хребте Альфа в Арктике. По мере открытия Северной Атлантики к востоку от Гренландии в эоцене Северная Америка и Евразия начали расходиться. Срединно-Атлантический хребет сформировался как центр океанического расхождения и часть подводной вулканической системы срединно-океанических хребтов. Первоначальная голова плюма могла иметь диаметр в несколько тысяч километров и извергала вулканические породы по обе стороны от современного океанического бассейна, образовав Североатлантическую магматическую провинцию. Некоторые геологи предполагают, что исландский плюм мог быть причиной палеогенового поднятия Скандинавских гор, вызывая изменения в плотности литосферы и астеносферы во время открытия Северной Атлантики. К югу палеогеновое поднятие меловых гор Англии, приведшее к образованию субпалеогеновой поверхности, также связывают с исландским плюмом. Существование потухшего хребта на западе Исландии позволяет предположить, что плюм со временем сместился на восток. Самая древняя кора Исландии имеет возраст более 20 миллионов лет и образовалась в старом центре океанического расхождения в регионе Вестфирди (Vestfirðir). Реорганизация границ плит в Исландии также объясняется микроплитной тектоникой.

The Iceland plume is a postulated upwelling of anomalously hot rock in the Earth's mantle beneath Iceland. Its origin is thought to lie deep in the mantle, perhaps at the boundary between the core and the mantle at about depth. Opinions differ as to whether seismic studies have imaged such a structure. In this framework, the volcanism of Iceland is attributed to this plume, according to the theory of W. Jason Morgan. It is believed that a mantle plume underlies Iceland, of which the hotspot is thought to be the surface expression, and that the presence of the plume enhances the volcanism already caused by plate separation. Additionally, flood basalts on the continental margins of Greenland and Norway, the oblique orientation of the Reykjanes Ridge segments to their spreading direction, and the enhanced igneous crustal thickness found along the southern Aegir and Kolbeinsey Ridges may be results of interaction between the plume and the Mid Atlantic Ridge. The plume stem is believed to be quite narrow, perhaps across and extending down to at least beneath the Earth's surface, and possibly down to the core mantle boundary, while the plume head may be greater than in diameter. It is suggested that the lack of a time progressive track of seamounts is due to the location of the plume beneath the thick Greenland craton for ~ 15 Myr (million years) after continental breakup, and the later entrenchment of the plume material into the northern Mid Atlantic Ridge following its formation. This coincides with the opening of the north Atlantic in the late Paleocene and early Eocene, which has led to suggestions that the arrival of the plume was linked to, and has perhaps contributed to, the breakup of the North Atlantic continent. In the framework of the plume hypothesis, the volcanism was caused by the flow of hot plume material initially beneath thick continental lithosphere and then beneath the lithosphere of the growing ocean basin as rifting proceeded. The exact position of the plume at that time is a matter of disagreement between scientists, as is whether the plume is thought to have ascended from the deep mantle only at that time or whether it is much older and also responsible for the old volcanism in northern Greenland, on Ellesmere Island, and at Alpha Ridge in the Arctic. As the northern Atlantic opened to the east of Greenland during the Eocene, North America and Eurasia drifted apart; the Mid Atlantic Ridge formed as an oceanic spreading center and a part of the submarine volcanic system of mid oceanic ridges. The initial plume head may have been several thousand kilometers in diameter, and it erupted volcanic rocks on both sides of the present ocean basin to produce the North Atlantic Igneous Province. Some geologists have suggested that the Iceland plume could have been responsible for the Paleogene uplift of the Scandinavian Mountains by producing changes in the density of the lithosphere and asthenosphere during the opening of the North Atlantic. To the south the Paleogene uplift of the English chalklands that resulted in the formation of the Sub Paleogene surface has also been attributed to the Iceland plume. An extinct ridge exists in western Iceland, leading to the theory that the plume has shifted east with time. The oldest crust of Iceland is more than 20 million years old and was formed at an old oceanic spreading center in the Westfjords (Vestfirðir) region. The reorganisation of the plate boundaries in Iceland has also been attributed to microplate tectonics,

Субдукционная океанская плита

Согласно одной из этих моделей, значительный фрагмент субдуцированной плиты древнего океана сохранился в верхней мантии на протяжении сотен миллионов лет, и его океаническая кора сейчас обуславливает избыточное плавление и наблюдаемый вулканизм. Однако, этот механизм конвекции, вероятно, недостаточно мощный в условиях, существующих в северной Атлантике, учитывая скорость спрединга, и он не даёт простого объяснения наблюдаемой геоидной аномалии.

Геофизические и геохимические наблюдения

Информация о структуре глубоких недр Земли может быть получена лишь косвенным путем с помощью геофизических и геохимических методов. Для изучения предполагаемых мантийных плюмов особенно полезными оказались гравиметрические, геоидные и, в частности, сейсмологические методы, а также геохимический анализ изверженных лав. Численные модели геодинамических процессов стремятся объединить эти наблюдения в единую согласованную картину.

Сейсмология

Важным методом визуализации крупномасштабных структур в недрах Земли является сейсмическая томография, при которой рассматриваемая область "освещается" со всех сторон сейсмическими волнами от землетрясений из максимально возможного числа различных направлений; эти волны регистрируются сетью сейсмометров. Размер сети критически важен для масштаба области, которую можно надёжно визуализировать. Для изучения Исландского плюма использовались как глобальная, так и региональная томография. В первом случае вся мантия визуализируется с относительно низким разрешением, используя данные со станций по всему миру, тогда как во втором – более плотная сеть, расположенная только на Исландии, позволяет получить изображение мантии в глубину с более высоким разрешением. Региональные исследования, проведённые в 1990-х и 2000-х годах, показывают наличие аномалии пониженной скорости сейсмических волн под Исландией, однако существуют разногласия относительно того, простирается ли она глубже зоны перехода мантии, на глубине около [укажите глубину]. Скорости сейсмических волн уменьшаются до 3% (P-волны) и более чем на 4% (S-волны) соответственно. Эти значения согласуются с небольшим процентом частичного расплава, высоким содержанием магния в мантии или повышенной температурой. Невозможно однозначно определить, какой из этих факторов вызывает наблюдаемое снижение скорости.

Геохимия

Многочисленные исследования посвящены геохимической подписи лав, присутствующих на Исландии и в Северной Атлантике. Полученная картина согласуется в нескольких важных аспектах. В частности, не вызывает сомнений, что источник вулканизма в мантии химически и петрологически неоднороден: он содержит не только перидотит, основной тип породы мантии, но и эклогит – породу, образованную из базальта в зонах субдукции и более легко плавящуюся, чем перидотит. Считается, что эклогит представляет собой метаморфизованную, очень древнюю океаническую кору, которая погрузилась в мантию несколько сотен миллионов лет назад в процессе субдукции океана, а затем поднялась из глубин мантии. Исследования, основанные на составах основных и микроэлементных компонентов исландских вулканитов, показали, что источник современного вулканизма примерно в раз больше, чем источник базальтов срединно-океанических хребтов. Изменения в концентрациях микроэлементов, таких как гелий, свинец, стронций, неодим и другие, четко демонстрируют, что Исландия имеет отличный от остальной Северной Атлантики химический состав. Примером этого служит соотношение изотопов гелия-3 (3He) и гелия-4 (4He). Соотношение 3He/4He является индикатором, указывающим на происхождение мантии, участвующей в извержениях. Гелий-3 захватывается в процессе планетарной аккреции и, следовательно, связан с относительно глубокими или нижними слоями мантии. Гелий-4 образуется в результате распада изотопов урана и тория. Низкое соотношение 3He/4He тесно связано с извержениями срединно-океанических хребтов из-за их поверхностного источника в мантии, в то время как высокие соотношения 3He/4He коррелируют с базальтами океанических островов, обусловленными их более глубоким происхождением. На Исландии встречаются как высокие, так и низкие соотношения 3He/4He. Высокие соотношения характерны для западной части острова, а более низкие – для восточной. Эти тенденции хорошо согласуются с геофизическими аномалиями и уменьшением этого и других геохимических сигналов с увеличением расстояния от Исландии. В совокупности они указывают на то, что протяженность композиционной аномалии достигает примерно вдоль хребта Рейкьянес и не менее вдоль хребта Колбейнси. В зависимости от рассматриваемых элементов и площади, можно выделить до шести различных компонентов мантии, которые не всегда присутствуют в одном и том же месте. Кроме того, некоторые исследования показывают, что содержание воды, растворенной в минералах мантии, в районе Исландии в два-шесть раз выше, чем в невозмущенных участках срединно-океанических хребтов, где оно оценивается примерно в 150 частей на миллион. Наличие такого большого количества воды в источнике лавы способствует снижению температуры плавления и повышению ее продуктивности при заданной температуре. Это также объясняет более высокие температуры плавления, чем обычно наблюдаются у базальтов срединно-океанических хребтов. Более того, мантийный плюм и утолщенная кора вызывают положительную гравитационную аномалию около 60 мГал (= 0,0006 м/с²) (в свободном воздухе).

Numerous studies have addressed the geochemical signature of the lavas present on Iceland and in the north Atlantic. The resulting picture is consistent in several important respects. For instance, it is not contested that the source of the volcanism in the mantle is chemically and petrologically heterogeneous: it contains not only peridotite, the principal mantle rock type, but also eclogite, a rock type that originates from the basalt in subducted slabs and is more easily fusible than peridotite. The origin of the latter is assumed to be metamorphosed, very old oceanic crust which sank into the mantle several hundreds of millions of years ago during the subduction of an ocean, then upwelled from deep within the mantle. Studies using the major and trace element compositions of Icelandic volcanics showed that the source of present day volcanism was about greater than that of the source of mid ocean ridge basalts. The variations in the concentrations of trace elements such as helium, lead, strontium, neodymium, and others show clearly that Iceland is compositionally distinct from the rest of the north Atlantic. An example of this is seen in the ratio of Helium 3 (3He) to Helium 4 (4He) isotopes. The ratio of Helium 3 and Helium 4 is a marker that indicates the origin of the mantle involved in eruptions. Helium 3 is captured during planetary accretion, thus is associated with relatively deeper or lower mantle. Helium 4 is created from the decay of Uranium and Thorium parent isotopes. A low ratio of 3He to 4He is strongly correlated with mid ocean ridge eruptions due to its shallow source of mantle, while high ratios of 3He to 4He are correlated with ocean island basalts due to its deeper source of mantle. Both high and low ratios of 3He to 4He are found on Iceland. High ratios are associated with the western portion of the island, while lower ratios are associated with the eastern part of the island. These ratio trends, correlate well with geophysical anomalies, and the decrease of this and other geochemical signatures with increasing distance from Iceland. Combined, they indicate that the extent of the compositional anomaly reaches about along the Reykjanes Ridge and at least along the Kolbeinsey Ridge. Depending on which elements are considered and how large the area covered is, one can identify up to six different mantle components, which are not all present in any single location. Furthermore, some studies show that the amount of water dissolved in mantle minerals is two to six times higher in the Iceland region than in undisturbed parts of the mid oceanic ridges, where it is regarded to lie at about 150 parts per million. The presence of such a large amount of water in the source of the lavas would tend to lower its melting point and make it more productive for a given temperature. It would also produce the higher melt temperatures found, than typical of mid ocean ridge basalts. Furthermore, the plume and the thickened crust cause a positive gravity anomaly of about 60 mGal (=0.0006 m/s²) (free air).

Геодинамика

С середины 1990-х годов было предпринято несколько попыток объяснить наблюдения с помощью численных геодинамических моделей конвекции мантии. Целью этих расчетов было, среди прочего, разрешить парадокс, заключающийся в том, что широкий шлейф с относительно небольшой температурной аномалией лучше согласуется с наблюдаемой толщиной коры, топографией и гравитацией, чем тонкий, горячий шлейф, который ранее использовался для объяснения сейсмологических и геохимических данных. Наиболее современные модели отдают предпочтение шлейфу, который горячее окружающей мантии и имеет стебель с радиусом около … Геотермальная барометрия и статистический анализ содержания алюминия в кристаллах оливина позволили исследователям определить глубину формирования этих кристаллов и время, необходимое для их подъема к поверхности. В данном случае, магма изначально находилась на глубине … м. Вычисленная скорость подъема магмы составила 0,02–0,1 м/с, что означает, что магме требуется в среднем 10 дней, чтобы достичь поверхности Исландии от границы Мохоровичича, что быстрее, чем предполагалось ранее.