Подводные хребты: формирование и особенности строения

Введение

Базальтовые подводные горные системы, образованные тектоническим расхождением плит.

Среднеокеанический хребет (MOR) – это система горных образований на дне океана, сформированная тектоническим расхождением плит. Обычно он имеет глубину около [вставить значение] и возвышается примерно [вставить значение] над самой глубокой частью океанического бассейна. В этой зоне происходит расширение морского дна вдоль границы расходящихся плит. Скорость расширения морского дна определяет морфологию гребня среднеокеанического хребта и его ширину в океаническом бассейне. Образование новой океанической коры и литосферы происходит в результате подъема мантийного вещества в ответ на разделение плит. Расплав поднимается в виде магмы в линейной зоне слабости между расходящимися плитами и извергается в виде лавы, формируя новую океаническую кору и литосферу при охлаждении. Первым открытым среднеокеаническим хребтом был Среднеатлантический хребет, являющийся зоной расхождения, разделяющей бассейны Северной и Южной Атлантики, что и послужило происхождением названия "среднеокеанический хребет". Большинство центров океанического расхождения не расположены в середине океанических бассейнов, но, тем не менее, традиционно называются среднеокеаническими хребтами. Среднеокеанические хребты по всему миру связаны тектоническими границами плит, а их протяженность на дне океана напоминает шов бейсбольного мяча. Таким образом, система среднеокеанических хребтов является самым длинным горным хребтом на Земле, протяженностью около [вставить значение].

Глобальная система

Среднеокеанские хребты мира соединены и образуют Океанический хребет – единую глобальную систему среднеокеанских хребтов, которая присутствует во всех океанах, что делает её самым протяжённым горным хребтом в мире. Этот непрерывный горный хребет имеет длину (в несколько раз превышающую длину Анд, самого длинного континентального горного хребта), а общая длина океанической хребтовой системы составляет .

Морфология

В центре распространения на среднеокеанском хребте глубина морского дна приблизительно равна половине пространства мантии. Хорошим приближением является то, что глубина морского дна в точке на расширяющемся среднеокеанском хребте пропорциональна квадратному корню возраста морского дна. Скорость распространения варьируется от примерно 10–200 мм/год. Медленно распространяющиеся хребты, такие как Среднеатлантический хребет, за одно и то же время распространились на меньшее расстояние (имея более крутой профиль), чем быстро распространяющиеся хребты, такие как Восточно-Тихоокеанский подъем (с пологим профилем), вследствие охлаждения и последующего батиметрического углубления. В отличие от них, быстро распространяющиеся хребты (со скоростью более 90 мм/год), такие как Восточно-Тихоокеанский подъем, лишены рифтовых долин. Скорость распространения в Северной Атлантике составляет около 25 мм/год, а в Тихом океане – 80–145 мм/год. Наивысшая известная скорость превышает 200 мм/год и наблюдалась в миоцене на Восточно-Тихоокеанском подъеме. Хребты, распространяющиеся со скоростью менее 20 мм/год, называют ультрамедленными. Глубина оси систематически меняется: она меньше между сдвигами, такими как трансформные разломы и перекрывающиеся центры распространения, разделяющие ось на сегменты. Одна из гипотез, объясняющих различия в глубине вдоль оси, – это вариации в поступлении магмы в центр распространения.

Вулканизм

Среднеокеанические хребты демонстрируют активный вулканизм и сейсмичность. Изотермическое восходящее движение вещества мантии превышает температуру солидуса и приводит к его плавлению. Кристаллизующаяся магма формирует новую кору из базальта, известного как MORB (базальт среднеокеанического хребта), и габбро в нижней части океанической коры. Базальт среднеокеанических хребтов является толеитовым базальтом с низким содержанием несовместимых элементов. Гидротермальные источники, питаемые магматическим и вулканическим теплом, – обычное явление в центрах океанического расхождения. Характерной особенностью возвышенных хребтов является их относительно высокий тепловой поток, составляющий около 1–10 мккал/см²с, или приблизительно 0,04–0,4 Вт/м². Большая часть коры в океанических бассейнах имеет возраст менее 200 миллионов лет, что значительно моложе возраста Земли – 4,54 миллиарда лет. Этот факт отражает процесс рециркуляции литосферы в мантию Земли в зонах субдукции. По мере удаления океанической коры и литосферы от оси хребта перидотит в нижней мантийной литосфере охлаждается и становится более жестким. Кора и расположенный под ней относительно жесткий перидотит образуют океаническую литосферу, которая покоится на менее жесткой и вязкой астеносфере. «Толчок хребта» относится к гравитационному скольжению океанической плиты, приподнятой над более горячей астеносферой, что создает объемную силу, вызывающую скольжение плиты вниз по склону. При «притяжении плиты» вес субдуцирующей (опускающейся) тектонической плиты в зоне субдукции тянет за собой остальную часть плиты. Механизм притяжения плиты считается более значимым, чем толчок хребта. Ранее было предложено, что процесс «конвейера мантии», обусловленный глубокой конвекцией (см. рисунок), способствует движению плит и образованию новой океанической коры в срединно-океанических хребтах. Однако некоторые исследования показали, что верхняя мантия (астеносфера) слишком пластична (гибка), чтобы генерировать достаточное трение для перемещения тектонической плиты. Кроме того, мантийное поднятие, вызывающее образование магмы под океаническими хребтами, затрагивает лишь верхние 400 км (250 миль), что следует из сейсмической томографии и наблюдений за сейсмической неоднородностью в верхней мантии на глубине около 400 км (250 миль). С другой стороны, некоторые из крупнейших тектонических плит мира, такие как Североамериканская и Южноамериканская плиты, находятся в движении, но субдукция происходит лишь в ограниченных областях, таких как дуга Малых Антильских островов и дуга Скотия, что указывает на действие объемной силы толчка хребта на эти плиты. Компьютерное моделирование движений плит и мантии показывает, что движение плит и конвекция мантии не связаны, и основной движущей силой плит является притяжение плит.

Mid ocean ridges exhibit active volcanism and seismicity. The isentropic upwelling solid mantle material exceeds the solidus temperature and melts. The crystallized magma forms a new crust of basalt known as MORB for mid ocean ridge basalt, and gabbro below it in the lower oceanic crust. Mid ocean ridge basalt is a tholeiitic basalt and is low in incompatible elements. Hydrothermal vents fueled by magmatic and volcanic heat are a common feature at oceanic spreading centers. A feature of the elevated ridges is their relatively high heat flow values, of about 1–10 μcal/cm2s, or roughly 0.04–0.4 W/m2. Most crust in the ocean basins is less than 200 million years old, which is much younger than the 4.54 billion year age of Earth. This fact reflects the process of lithosphere recycling into the Earth's mantle during subduction. As the oceanic crust and lithosphere moves away from the ridge axis, the peridotite in the underlying mantle lithosphere cools and becomes more rigid. The crust and the relatively rigid peridotite below it make up the oceanic lithosphere, which sits above the less rigid and viscous asthenosphere. Ridge push refers to the gravitational sliding of the ocean plate that is raised above the hotter asthenosphere, thus creating a body force causing sliding of the plate downslope. In slab pull the weight of a tectonic plate being subducted (pulled) below an overlying plate at a subduction zone drags the rest of the plate along behind it. The slab pull mechanism is considered to be contributing more than the ridge push. A process previously proposed to contribute to plate motion and the formation of new oceanic crust at mid ocean ridges is the "mantle conveyor" due to deep convection (see image). However, some studies have shown that the upper mantle (asthenosphere) is too plastic (flexible) to generate enough friction to pull the tectonic plate along. Moreover, mantle upwelling that causes magma to form beneath the ocean ridges appears to involve only its upper 400 km (250 mi), as deduced from seismic tomography and observations of the seismic discontinuity in the upper mantle at about 400 km (250 mi). On the other hand, some of the world's largest tectonic plates such as the North American Plate and South American plate are in motion, yet only are being subducted in restricted locations such as the Lesser Antilles Arc and Scotia Arc, pointing to action by the ridge push body force on these plates. Computer modeling of the plates and mantle motions suggest that plate motion and mantle convection are not connected, and the main plate driving force is slab pull.

Влияние на глобальный уровень моря

Увеличение темпов распространения морского дна (то есть скорости расширения срединно-океанических хребтов) привело к повышению глобального (эустатического) уровня моря на протяжении очень длительных периодов времени (миллионов лет). Увеличение темпов распространения морского дна означает, что срединно-океанический хребет расширяется, формируя более широкий хребет с уменьшенной средней глубиной, занимающий больший объем в океанической впадине. Это вытесняет воду океана и приводит к повышению уровня моря. Однако на протяжении очень длительных периодов времени это является результатом изменений объема океанических бассейнов, которые, в свою очередь, зависят от скорости распространения морского дна вдоль срединно-океанических хребтов. Более высокий на 100–170 метров уровень моря мелового периода (144–65 млн лет назад) частично объясняется тектоникой плит, поскольку тепловое расширение и отсутствие ледниковых щитов объясняют лишь часть этого повышения уровня моря.

Влияние на химию морской воды и осаждение карбоната

Распространение морского дна вдоль срединно-океанических хребтов представляет собой систему ионного обмена глобального масштаба. Гидротермальные источники в центрах распространения вводят в океан различные количества железа, серы, марганца, кремния и других элементов, часть из которых рециркулирует в океаническую кору. Гелий-3, изотоп, сопровождающий вулканизм из мантии, выделяется гидротермальными источниками и может быть обнаружен в шлейфах в океане. Высокие скорости распространения приведут к расширению срединно-океанического хребта, что ускорит реакции базальта с морской водой. Соотношение магния к кальцию будет ниже, поскольку больше ионов магния удаляется из морской воды и потребляется горными породами, а больше ионов кальция удаляется из горных пород и высвобождается в морскую воду. Гидротермальная активность на гребне эффективно удаляет магний. Более низкое соотношение Mg/Ca способствует осаждению полиморфов кальцита с низким содержанием Mg карбоната кальция (кальцитовые моря). Медленное распространение на срединно-океанических хребтах оказывает противоположный эффект и приведет к увеличению соотношения Mg/Ca, способствуя осаждению арагонита и полиморфов кальцита с высоким содержанием Mg карбоната кальция (арагонитовые моря). Это означает, что соотношение Mg/Ca в скелете организма меняется в зависимости от соотношения Mg/Ca в морской воде, в которой он рос. Минералогия рифообразующих и осадкообразующих организмов таким образом регулируется химическими реакциями, происходящими вдоль срединно-океанического хребта, скорость которых контролируется скоростью распространения морского дна. Океанографы Мэтью Фонтейн Мори и Чарльз Уайвилл Томсон проанализировали данные, полученные с помощью лотов, опущенных на морское дно, и обнаружили заметный подъем морского дна вдоль Атлантического бассейна с севера на юг. Эхолокаторы подтвердили это в начале двадцатого века. Однако полное протяжение срединно-океанических хребтов стало известно лишь после Второй мировой войны, когда дно океана было изучено более подробно. Корабль "Vema" Ламонтско-Доэртиевской обсерватории Земли Колумбийского университета пересек Атлантический океан, регистрируя данные эхолокации о глубине дна океана. Группа под руководством Мари Тарп и Брюса Хизена пришла к выводу, что существует огромная горная цепь с рифтовой долиной на вершине, проходящая по центру Атлантического океана. Ученые назвали ее "Срединно-Атлантическим хребтом". Другие исследования показали, что гребень хребта сейсмически активен, а в рифтовой долине обнаружены свежие лавы. Кроме того, тепловой поток в коре здесь выше, чем в других частях Атлантического океана. Поначалу считалось, что хребет является особенностью Атлантического океана. Однако, по мере продолжения исследований дна океана по всему миру, было обнаружено, что каждый океан содержит части системы срединно-океанических хребтов. Немецкая экспедиция "Метеор" проследила срединно-океанический хребет из Южной Атлантики в Индийский океан в начале двадцатого века. Хотя первый обнаруженный участок хребтовой системы проходит по центру Атлантического океана, было установлено, что большинство срединно-океанических хребтов расположены не в центре других океанических бассейнов. Однако Вегенер не продолжил это наблюдение в своих более поздних работах, и его теория была отвергнута геологами, поскольку не было механизма, объясняющего, как континенты могли вспарывать океаническую кору, и теория была в значительной степени забыта. После открытия в 1950-х годах глобального масштаба срединно-океанического хребта перед геологами встала новая задача: объяснить, как могла образоваться такая огромная геологическая структура. В 1960-х годах геологи обнаружили и начали предлагать механизмы распространения морского дна. Открытие срединно-океанических хребтов и процесса распространения морского дна позволило расширить теорию Вегенера, включив в нее движение океанической коры, а также континентов. Тектоника плит была подходящим объяснением распространения морского дна, и принятие тектоники плит большинством геологов привело к серьезному сдвигу парадигмы в геологическом мышлении. По оценкам, вдоль срединно-океанических хребтов Земли ежегодно образуется новое морское дно в результате этого процесса. При толщине коры это составляет примерно нового океанического дна, образующегося каждый год.

Seafloor spreading on mid ocean ridges is a global scale ion exchange system. Hydrothermal vents at spreading centers introduce various amounts of iron, sulfur, manganese, silicon, and other elements into the ocean, some of which are recycled into the ocean crust. Helium 3, an isotope that accompanies volcanism from the mantle, is emitted by hydrothermal vents and can be detected in plumes within the ocean. Fast spreading rates will expand the mid ocean ridge causing basalt reactions with seawater to happen more rapidly. The magnesium/calcium ratio will be lower because more magnesium ions are being removed from seawater and consumed by the rock, and more calcium ions are being removed from the rock and released into seawater. Hydrothermal activity at the ridge crest is efficient in removing magnesium. A lower Mg/Ca ratio favors the precipitation of low Mg calcite polymorphs of calcium carbonate (calcite seas). Slow spreading at mid ocean ridges has the opposite effect and will result in a higher Mg/Ca ratio favoring the precipitation of aragonite and high Mg calcite polymorphs of calcium carbonate (aragonite seas). meaning that the Mg/Ca ratio in an organism's skeleton varies with the Mg/Ca ratio of the seawater in which it was grown. The mineralogy of reef building and sediment producing organisms is thus regulated by chemical reactions occurring along the mid ocean ridge, the rate of which is controlled by the rate of sea floor spreading. Soundings from lines dropped to the seafloor were analyzed by oceanographers Matthew Fontaine Maury and Charles Wyville Thomson and revealed a prominent rise in the seafloor that ran down the Atlantic basin from north to south. Sonar echo sounders confirmed this in the early twentieth century. It was not until after World War II, when the ocean floor was surveyed in more detail, that the full extent of mid ocean ridges became known. The Vema, a ship of the Lamont–Doherty Earth Observatory of Columbia University, traversed the Atlantic Ocean, recording echo sounder data on the depth of the ocean floor. A team led by Marie Tharp and Bruce Heezen concluded that there was an enormous mountain chain with a rift valley at its crest, running up the middle of the Atlantic Ocean. Scientists named it the 'Mid Atlantic Ridge'. Other research showed that the ridge crest was seismically active and fresh lavas were found in the rift valley. Also, crustal heat flow was higher here than elsewhere in the Atlantic Ocean basin. At first, the ridge was thought to be a feature specific to the Atlantic Ocean. However, as surveys of the ocean floor continued around the world, it was discovered that every ocean contains parts of the mid ocean ridge system. The German Meteor expedition traced the mid ocean ridge from the South Atlantic into the Indian Ocean early in the twentieth century. Although the first discovered section of the ridge system runs down the middle of the Atlantic Ocean, it was found that most mid ocean ridges are located away from the center of other ocean basins. However, Wegener did not pursue this observation in his later works and his theory was dismissed by geologists because there was no mechanism to explain how continents could plow through ocean crust, and the theory became largely forgotten. Following the discovery of the worldwide extent of the mid ocean ridge in the 1950s, geologists faced a new task: explaining how such an enormous geological structure could have formed. In the 1960s, geologists discovered and began to propose mechanisms for seafloor spreading. The discovery of mid ocean ridges and the process of seafloor spreading allowed for Wegener's theory to be expanded so that it included the movement of oceanic crust as well as the continents. Plate tectonics was a suitable explanation for seafloor spreading, and the acceptance of plate tectonics by the majority of geologists resulted in a major paradigm shift in geological thinking. It is estimated that along Earth's mid ocean ridges every year of new seafloor is formed by this process. With a crustal thickness of , this amounts to about of new ocean crust formed every year.