Восходящие потоки мантии и аномальный вулканизм Земли

Введение

Подъем аномально горячей породы из мантии Земли

Мантийный плюм – это предлагаемый механизм конвекции в мантии Земли, выдвинутый для объяснения аномального вулканизма. Поскольку голова плюма частично расплавляется при достижении небольших глубин, плюм часто рассматривается как причина вулканических горячих точек, таких как Гавайи или Исландия, и крупных магматических провинций, таких как Деканский трапп и Сибирские траппы. Некоторые из этих вулканических регионов расположены вдали от границ тектонических плит, в то время как другие характеризуются необычно большим объемом вулканизма вблизи границ плит.

Химия, теплопоток и плавление

Химический и изотопный состав базальтов, обнаруженных в горячих точках, незначительно отличается от состава базальтов срединно-океанических хребтов. Эти базальты, также называемые базальтами океанических островов (OIB), анализируются по их радиогенным и стабильным изотопным характеристикам. В радиогенных изотопных системах исходный субдуцированный материал создает расходящиеся тренды, называемые мантийными компонентами. Выделенные мантийные компоненты включают DMM (обедненная мантия срединно-океанических хребтов (MORB)), HIMU (мантия с высоким отношением U/Pb), EM1 (обогащенная мантия 1), EM2 (обогащенная мантия 2) и FOZO (фокусная зона). Эта геохимическая сигнатура возникает в результате смешения материалов, близких к поверхности, таких как субдуцированные плиты и континентальные осадочные породы, в источнике мантии. Существует два конкурирующих объяснения этого явления. В контексте мантийных плюмов предполагается, что материалы, находящиеся вблизи поверхности, были перенесены вниз к границе ядра-мантии субдуцирующими плитами и возвращены на поверхность мантийными плюмами. В контексте гипотезы о тектонических плитах субдуцированный материал в основном перераспределяется в верхней мантии и извлекается оттуда вулканами. Стабильные изотопы, такие как Fe, используются для отслеживания процессов, которые испытывает восходящий материал в процессе плавления. Прохождение океанической коры, литосферы и осадочных пород через зону субдукции разделяет водорастворимые микроэлементы (например, K, Rb, Th) и нерастворимые микроэлементы (например, Ti, Nb, Ta), концентрируя нерастворимые элементы в субдуцирующей плите (водорастворимые элементы добавляются в кору в вулканах островных дуг). Сейсмическая томография показывает, что субдуцированные океанические плиты опускаются до основания зоны перехода мантии на глубине 650 км. Субдукция на большие глубины менее определенна, но есть данные, свидетельствующие о том, что они могут погружаться в глубины средней и нижней мантии на глубине около 1500 км. Источником мантийных плюмов считается граница ядра-мантии на глубине 3000 км. Поскольку перенос материала через границу ядра-мантии ограничен, теплопередача должна происходить посредством теплопроводности с адиабатическими градиентами выше и ниже этой границы. Граница ядра-мантии представляет собой резкий термический (температурный) разрыв. Температура ядра примерно на 1000 градусов Цельсия выше, чем температура вышележащей мантии. Предполагается, что плюмы поднимаются по мере того, как основание мантии становится горячее и более плавучее. Предполагается, что плюмы поднимаются сквозь мантию и начинают частично плавиться при достижении небольших глубин в астеносфере в результате декомпрессионного плавления. Это приводит к образованию больших объемов магмы. Эта магма поднимается к поверхности и извергается, формируя горячие точки.

The chemical and isotopic composition of basalts found at hotspots differs subtly from mid ocean ridge basalts. These basalts, also called ocean island basalts (OIBs), are analysed in their radiogenic and stable isotope compositions. In radiogenic isotope systems the originally subducted material creates diverging trends, termed mantle components. Identified mantle components are DMM (depleted mid ocean ridge basalt (MORB) mantle), HIMU (high U/Pb ratio mantle), EM1 (enriched mantle 1), EM2 (enriched mantle 2) and FOZO (focus zone). This geochemical signature arises from the mixing of near surface materials such as subducted slabs and continental sediments, in the mantle source. There are two competing interpretations for this. In the context of mantle plumes, the near surface material is postulated to have been transported down to the core mantle boundary by subducting slabs, and to have been transported back up to the surface by plumes. In the context of the Plate hypothesis, subducted material is mostly re circulated in the shallow mantle and tapped from there by volcanoes. Stable isotopes like Fe are used to track processes that the uprising material experiences during melting. The processing of oceanic crust, lithosphere, and sediment through a subduction zone decouples the water soluble trace elements (e. g., K, Rb, Th) from the immobile trace elements (e. g., Ti, Nb, Ta), concentrating the immobile elements in the oceanic slab (the water soluble elements are added to the crust in island arc volcanoes). Seismic tomography shows that subducted oceanic slabs sink as far as the bottom of the mantle transition zone at 650 km depth. Subduction to greater depths is less certain, but there is evidence that they may sink to mid lower mantle depths at about 1,500 km depth. The source of mantle plumes is postulated to be the core mantle boundary at 3,000 km depth. Because there is little material transport across the core mantle boundary, heat transfer must occur by conduction, with adiabatic gradients above and below this boundary. The core mantle boundary is a strong thermal (temperature) discontinuity. The temperature of the core is approximately 1,000 degrees Celsius higher than that of the overlying mantle. Plumes are postulated to rise as the base of the mantle becomes hotter and more buoyant. Plumes are postulated to rise through the mantle and begin to partially melt on reaching shallow depths in the asthenosphere by decompression melting. This would create large volumes of magma. This melt rises to the surface and erupts to form hotspots.

Нижняя мантия и ядро

Наиболее выраженный тепловой контраст, известный в глубокой (1000 км) мантии, наблюдается на границе ядра и мантии на глубине 2900 км. Изначально мантийные плюмы были предложены как поднимающиеся из этого слоя, поскольку горячие точки, считающиеся их поверхностными проявлениями, казались неподвижными относительно друг друга. Это подразумевало, что плюмы формируются из-под неглубокой астеносферы, которая, как считается, быстро течет в ответ на движение вышележащих тектонических плит. Других известных крупных тепловых пограничных слоев в глубинах Земли не обнаружено, поэтому граница ядра и мантии оставалась единственным возможным источником. Основание мантии известно как слой D″, сейсмологическое подразделение Земли. Он, по-видимому, имеет отличный от вышележащей мантии химический состав и может содержать частичное плавление. В нижней мантии под Африкой и центральной частью Тихого океана существуют две обширные области с низкой скоростью сдвига. Предполагается, что плюмы поднимаются с их поверхности или краев. Ранее считалось, что их низкие сейсмические скорости свидетельствуют об относительно высокой температуре, однако недавние исследования показали, что эти низкие скорости волн обусловлены высокой плотностью, вызванной химической неоднородностью.

Доказательства теории

Некоторые общепринятые и фундаментальные доказательства, подтверждающие теорию, включают линейные вулканические цепочки, благородные газы, геофизические аномалии и геохимию.

Линейные вулканические цепи

Прогрессивное распределение возраста гавайско-императорской цепи подводных гор объясняется как результат фиксированного, глубокомантийного плюма, поднимающегося в верхнюю мантию, частично плавящегося и вызывающего формирование вулканической цепи по мере движения плиты над неподвижным источником плюма. Другой пример – Канарские острова к северо-востоку от Африки в Атлантическом океане.

Благородные газы и другие изотопы

Гелий-3 — это первичный изотоп, образовавшийся во время Большого взрыва. Его образуется очень мало, и с тех пор другими процессами в состав Земли добавлено лишь незначительное количество. Гелий-4 включает в себя первичный компонент, но также образуется в результате естественного радиоактивного распада элементов, таких как уран и торий. Со временем гелий в верхних слоях атмосферы рассеивается в космосе. Таким образом, запасы гелия на Земле постепенно истощаются, и гелий-3 не восполняется в той же мере, что и гелий-4. В результате соотношение 3He/4He в Земле уменьшается с течением времени. Аномально высокие значения 3He/4He наблюдались в некоторых, но не во всех, горячих точках. Это объясняется тем, что мантийные плюмы поднимаются из глубокого, первичного резервуара в нижней мантии, где сохранились исходные высокие соотношения 3He/4He на протяжении всей геологической истории. Другие элементы, например осмий, предлагались в качестве индикаторов вещества, происходящего из окрестностей ядра Земли, в базальтах океанических островов. Однако до сих пор убедительных доказательств этого не получено.

Геофизические аномалии

Гипотеза о шлейфах была проверена путем поиска геофизических аномалий, которые, как предполагается, связаны с ними. К этим аномалиям относятся тепловые, сейсмические и аномалии рельефа. Тепловые аномалии являются неотъемлемой частью понятия «горячая точка». Их можно измерить различными способами, включая поверхностный тепловой поток, петрологию и сейсмологию. Тепловые аномалии вызывают аномалии в скоростях сейсмических волн, но, к сожалению, то же самое относится и к составу и частичному расплавлению. В результате скорости волн нельзя использовать просто и напрямую для измерения температуры, а необходимо применять более сложные методы. Сейсмические аномалии выявляются путем картирования изменений скорости волн при прохождении сейсмических волн через Землю. Предполагается, что горячий мантийный шлейф имеет более низкие скорости сейсмических волн по сравнению с аналогичным материалом при более низкой температуре. Мантийный материал, содержащий следы частичного расплавления (например, из-за более низкой температуры плавления) или обогащенный Fe, также имеет более низкую скорость сейсмических волн, причем эти эффекты сильнее, чем влияние температуры. Таким образом, хотя необычно низкие скорости волн интерпретировались как указание на аномально горячую мантию под горячими точками, эта интерпретация является неоднозначной. Наиболее часто цитируемые изображения скоростей сейсмических волн, используемые для поиска вариаций в районах, где предполагается наличие шлейфов, получены с помощью сейсмической томографии. Этот метод включает использование сети сейсмометров для построения трехмерных изображений изменений скорости сейсмических волн во всей мантии. Сейсмические волны, генерируемые сильными землетрясениями, позволяют определить структуру под поверхностью Земли вдоль траектории распространения волн. Сейсмические волны, прошедшие тысячу и более километров (также называемые телесейсмическими волнами), могут использоваться для визуализации больших областей мантии Земли. Однако они также имеют ограниченное разрешение, и могут быть обнаружены только структуры диаметром не менее нескольких сотен километров. Изображения, полученные с помощью сейсмической томографии, были приведены в качестве доказательства существования ряда мантийных шлейфов в мантии Земли. Однако продолжаются активные дискуссии относительно того, насколько достоверно разрешены изображенные структуры и соответствуют ли они колоннам горячей, поднимающейся породы. Гипотеза о мантийных шлейфах предсказывает, что при столкновении голов шлейфа с основанием литосферы будут развиваться куполообразные поднятия рельефа. Подобное поднятие произошло при открытии Северной Атлантики около 54 миллионов лет назад. Некоторые ученые связывают это с мантийным шлейфом, который, как предполагается, вызвал разрыв Евразии и открытие Северной Атлантики, и который, как предполагается, находится под Исландией. Однако современные исследования показали, что временная шкала этого поднятия, вероятно, значительно короче, чем предполагалось ранее. Таким образом, неясно, насколько сильно это наблюдение подтверждает гипотезу о мантийных шлейфах.

The plume hypothesis has been tested by looking for the geophysical anomalies predicted to be associated with them. These include thermal, seismic, and elevation anomalies. Thermal anomalies are inherent in the term "hotspot". They can be measured in numerous different ways, including surface heat flow, petrology, and seismology. Thermal anomalies produce anomalies in the speeds of seismic waves, but unfortunately so do composition and partial melt. As a result, wave speeds cannot be used simply and directly to measure temperature, but more sophisticated approaches must be taken. Seismic anomalies are identified by mapping variations in wave speed as seismic waves travel through Earth. A hot mantle plume is predicted to have lower seismic wave speeds compared with similar material at a lower temperature. Mantle material containing a trace of partial melt (e. g., as a result of it having a lower melting point), or being richer in Fe, also has a lower seismic wave speed and those effects are stronger than temperature. Thus, although unusually low wave speeds have been taken to indicate anomalously hot mantle beneath hotspots, this interpretation is ambiguous. The most commonly cited seismic wave speed images that are used to look for variations in regions where plumes have been proposed come from seismic tomography. This method involves using a network of seismometers to construct three dimensional images of the variation in seismic wave speed throughout the mantle. Seismic waves generated by large earthquakes enable structure below the Earth's surface to be determined along the ray path. Seismic waves that have traveled a thousand or more kilometers (also called teleseismic waves) can be used to image large regions of Earth's mantle. They also have limited resolution, however, and only structures at least several hundred kilometers in diameter can be detected. Seismic tomography images have been cited as evidence for a number of mantle plumes in Earth's mantle. There is, however, vigorous on going discussion regarding whether the structures imaged are reliably resolved, and whether they correspond to columns of hot, rising rock. The mantle plume hypothesis predicts that domal topographic uplifts will develop when plume heads impinge on the base of the lithosphere. An uplift of this kind occurred when the north Atlantic Ocean opened about 54 million years ago. Some scientists have linked this to a mantle plume postulated to have caused the breakup of Eurasia and the opening of the north Atlantic, now suggested to underlie Iceland. Current research has shown that the time history of the uplift is probably much shorter than predicted, however. It is thus not clear how strongly this observation supports the mantle plume hypothesis.

Геохимия

Базальты, обнаруженные на океанических островах, геохимически отличаются от базальта срединно-океанических хребтов (MORB). Океанический островный базальт (OIB) более разнообразен по составу, чем MORB, и подавляющее большинство океанских островов состоит из щелочного базальта, обогащенного натрием и калием по сравнению с MORB. Крупные острова, такие как Гавайи или Исландия, в основном состоят из толеитового базальта, при этом щелочный базальт ограничен поздними стадиями их развития, но этот толеитовый базальт химически отличается от толеитового базальта срединно-океанических хребтов. OIB, как правило, более обогащен магнием, а как щелочный, так и толеитовый OIB обогащены следовыми несовместимыми элементами, причем легкие редкоземельные элементы демонстрируют особое обогащение по сравнению с тяжелыми редкоземельными элементами. Стабильные изотопные соотношения элементов стронция, неодима, гафния, свинца и осмия показывают широкие вариации относительно MORB, что объясняется смешением как минимум трех компонентов мантии: HIMU с высокой долей радиогенного свинца, образовавшегося в результате распада урана и других тяжелых радиоактивных элементов; EM1 с меньшим обогащением радиогенным свинцом; и EM2 с высоким соотношением 87Sr/86Sr. Содержание гелия в OIB демонстрирует более широкий диапазон значений отношения 3He/4He, чем в MORB, при этом некоторые значения приближаются к первичному значению. Состав океанических островных базальтов объясняется наличием различных химических резервуаров мантии, сформированных в результате субдукции океанической коры. К ним относятся резервуары, соответствующие HUIMU, EM1 и EM2. Предполагается, что эти резервуары имеют различные составы основных элементов, что основано на корреляции между составом основных элементов OIB и их стабильными изотопами. Толеитовый OIB интерпретируется как продукт более высокой степени частичного плавления в особенно горячих мантийных плюмах, в то время как щелочной OIB интерпретируется как продукт более низкой степени частичного плавления в меньших, более холодных плюмах. Эти плюмы простираются почти вертикально от границы ядро-мантия (глубина 2900 км) до возможного слоя сдвига и изгиба на глубине 1000 км. Неожиданно большой размер плюмов позволяет предположить, что они могут проводить основную часть 44 тераватт внутреннего теплового потока Земли от ядра к поверхности, и указывает на то, что конвекция в нижней мантии происходит в меньшей степени, чем ожидалось, или вообще отсутствует. Возможно, существует разница в составе между плюмами и окружающей мантией, которая замедляет их движение и увеличивает их ширину.

Basalts found at oceanic islands are geochemically distinct from mid ocean ridge basalt (MORB). Ocean island basalt (OIB) is more diverse compositionally than MORB, and the great majority of ocean islands are composed of alkali basalt enriched in sodium and potassium relative to MORB. Larger islands, such as Hawaii or Iceland, are mostly tholeiitic basalt, with alkali basalt limited to late stages of their development, but this tholeiitic basalt is chemically distinct from the tholeiitic basalt of mid ocean ridges. OIB tends to be more enriched in magnesium, and both alkali and tholeiitic OIB is enriched in trace incompatible elements, with the light rare earth elements showing particular enrichment compared with heavier rare earth elements. Stable isotope ratios of the elements strontium, neodymium, hafnium, lead, and osmium show wide variations relative to MORB, which is attributed to the mixing of at least three mantle components: HIMU with a high proportion of radiogenic lead, produced by decay of uranium and other heavy radioactive elements; EM1 with less enrichment of radiogenic lead; and EM2 with a high 87Sr/86Sr ratio. Helium in OIB shows a wider variation in the 3He/4He ratio than MORB, with some values approaching the primordial value. The composition of ocean island basalts is attributed to the presence of distinct mantle chemical reservoirs formed by subduction of oceanic crust. These include reservoirs corresponding to HUIMU, EM1, and EM2. These reservoirs are thought to have different major element compositions, based on the correlation between major element compositions of OIB and their stable isotope ratios. Tholeiitic OIB is interpreted as a product of a higher degree of partial melting in particularly hot plumes, while alkali OIB is interpreted as a product of a lower degree of partial melting in smaller, cooler plumes. They extended nearly vertically from the core mantle boundary (2900 km depth) to a possible layer of shearing and bending at 1000 km. The unexpected size of the plumes leaves open the possibility that they may conduct the bulk of the Earth's 44 terawatts of internal heat flow from the core to the surface, and means that the lower mantle convects less than expected, if at all. It is possible that there is a compositional difference between plumes and the surrounding mantle that slows them down and broadens them.

Предлагаемые места расположения мантийных шлейфов

[[Файл:CourtHotspots.png|thumb|upright=1.4|Пример расположения мантийных плюмов, предложенный одной из последних групп исследователей. Изображение из Foulger (2010). Эти чрезвычайно быстрые и масштабные извержения базальтовой магмы периодически формировали континентальные базальтовые провинции на суше и океанические плато в океанических бассейнах, такие как Деканские траппы, Сибирские траппы, базальты Кару-Феррар Гондваны и крупнейшая известная континентальная базальтовая провинция – Центрально-Атлантическая магматическая провинция (CAMP). Многие события континентального базальтового вулканизма совпадают с континентальным рифтингом. Это согласуется с системой, стремящейся к равновесию: по мере подъема вещества в мантийном плюме, другая материя опускается в мантию, вызывая рифтинг. Гипотеза о плитах предполагает, что "аномальный" вулканизм является результатом расширения литосферы, которое позволяет расплаву пассивно подниматься из астеносферы. Таким образом, это концептуальная противоположность гипотезе о плюмах, поскольку гипотеза о плитах связывает вулканизм с неглубокими, близко к поверхности процессами, связанными с тектоникой плит, а не с активными процессами, возникающими на границе ядро-мантия. Расширение литосферы приписывается процессам, связанным с тектоникой плит. Эти процессы хорошо изучены в срединно-океанических хребтах, где происходит большая часть вулканизма Земли. Менее признается тот факт, что сами плиты деформируются внутренне и могут допускать вулканизм в регионах, где деформация носит растягивающий характер. Хорошо известные примеры – Бассейн и Хребет в западной части США, Восточно-Африканская рифтовая долина и Рейнский грабен. Согласно этой гипотезе, вариации объемов магмы связаны с изменениями химического состава (большие объемы вулканизма соответствуют более легко плавящемуся веществу мантии), а не с разницей температур. Хотя наличие глубокой конвекции мантии и восходящих потоков в целом не отрицается, гипотеза о плитах утверждает, что эти процессы не приводят к образованию мантийных плюмов в том смысле, что это не колоннообразные вертикальные структуры, охватывающие большую часть мантии Земли, транспортирующие большое количество тепла и способствующие поверхностному вулканизму. В рамках гипотезы о плитах признаются следующие подпроцессы, каждый из которых может способствовать поверхностному вулканизму: Вулканизм, вызванный ударом, недостаточно изучен и представляет собой отдельную причинную категорию земного вулканизма, имеющую последствия для изучения горячих точек и тектоники плит.

[[File:CourtHotspots. png|thumb|upright=1.4|An example of plume locations suggested by one recent group. Figure from Foulger (2010). These extremely rapid, large scale eruptions of basaltic magmas have periodically formed continental flood basalt provinces on land and oceanic plateaus in the ocean basins, such as the Deccan Traps, the Siberian Traps the Karoo Ferrar flood basalts of Gondwana, and the largest known continental flood basalt, the Central Atlantic magmatic province (CAMP). Many continental flood basalt events coincide with continental rifting. This is consistent with a system that tends toward equilibrium: as matter rises in a mantle plume, other material is drawn down into the mantle, causing rifting. The plate hypothesis suggests that "anomalous" volcanism results from lithospheric extension that permits melt to rise passively from the asthenosphere beneath. It is thus the conceptual inverse of the plume hypothesis because the plate hypothesis attributes volcanism to shallow, near surface processes associated with plate tectonics, rather than active processes arising at the core mantle boundary. Lithospheric extension is attributed to processes related to plate tectonics. These processes are well understood at mid ocean ridges, where most of Earth's volcanism occurs. It is less commonly recognised that the plates themselves deform internally, and can permit volcanism in those regions where the deformation is extensional. Well known examples are the Basin and Range Province in the western USA, the East African Rift valley, and the Rhine Graben. Under this hypothesis, variable volumes of magma are attributed to variations in chemical composition (large volumes of volcanism corresponding to more easily molten mantle material) rather than to temperature differences. While not denying the presence of deep mantle convection and upwelling in general, the plate hypothesis holds that these processes do not result in mantle plumes, in the sense of columnar vertical features that span most of the Earth's mantle, transport large amounts of heat, and contribute to surface volcanism. Under the umbrella of the plate hypothesis, the following sub processes, all of which can contribute to permitting surface volcanism, are recognised: Impact induced volcanism has not been adequately studied and comprises a separate causal category of terrestrial volcanism with implications for the study of hotspots and plate tectonics.

Сравнение гипотез

В 1997 году с помощью сейсмической томографии впервые стало возможным визуализировать погружающиеся тектонические плиты, проникающие от поверхности вплоть до границы ядра и мантии. Для гавайского горячего пятна дифракционная сейсмическая томография телесных волн с длительным периодом предоставила доказательства, подтверждающие ответственность мантийного плюма, как было предложено еще в 1971 году. Для горячего пятна Йеллоустоун сейсмологические данные, начиная с 2011 года, стали сходиться в поддержку плюм-модели, и, как заключили Джеймс и др., "мы склоняемся к версии о том, что источником горячего пятна Йеллоустоун является плюм из нижней мантии". Данные, полученные в рамках программы Earthscope, собирающей сейсмические данные высокого разрешения на территории соединенных штатов, способствовали более широкому признанию наличия плюма под Йеллоустоуном. Хотя имеются веские доказательства того, что по крайней мере эти два глубоких мантийных плюма поднимаются от границы ядра и мантии, для окончательного опровержения других гипотез могут потребоваться аналогичные томографические данные для других горячих точек.