Гипотеза мантийных плюмов была предложена Джейсоном Морганом более сорока лет назад для объяснения вулканов горячих точек, таких как Гаваи. Термальный диапир (или плюм) поднимается от пограничного термального слоя, находящегося в основании мантии и продуцирует цепь вулканов, так как плита движется на поверхности плюма.
Идея очень привлекательная, но прямое доказательство существования плюмов слабое и много вопросов остается открытыми. В связи с большим прогрессом в технологиях сейсмического воспроизведения внутренней структуры Земли появились новые перспективы. Мантийные плюмы предполагаются довольно узкими и, поэтому, сейсмические технологии их обнаружения требуют специфических подходов, а также специальных полевых экспериментов. Региональная сейсмическая томография, базирующаяся на изучении годографов, обеспечила хорошие доказательства существования плюмов в верхней мантии под несколькими горячими точками (Йеллоустоун, Центральный массив, Исландия). Под Гавайями и Исландией плюмы можно обнаружить в транзитной зоне, так как она является источником обменных волн на глубинах 410 км и 660 км. Плюмы очень сложно обнаружить в нижней мантии, поэтому были разработаны специфические методы для их обнаружения. Имеются основания, чтобы предположить наличие плюма под слабой горячей точкой Бови (Bowie), а также интересные наблюдения для Гавайев. Под Исландией высокоразрешающая томография в настоящее время показала наличие широкой и извилистой плюмоподобной структуры, простирающейся от границы ядро – мантия и до поверхности. Многих процессы, протекающие в наиболее нижней части мантии (в слое D”), могут быть связаны с существующими там плюмами.
Что такое плюмы и как плюм связан с горячей точкой?
В 1963 году, с внедрением тектоники плит, Тузо Вилсон [Wilson 1963] отметил, что цепочка Гавайских вулканов (Рис 1) может быть объяснена движением Тихоокеанской плиты по направлению на северо-запад над стационарной горячей точкой.
Рис. 1. Топография океанического дна для Гавайской вулканической цепи в Меркаторной проекции (ЕТОРО5). Для визуального представления использована программа GMT (Generic Mapping Tools) [Wessel & Smith 1991].
Несколькими годами позже Джейсон Морган (1971) предположил, что такие геологические особенности, как: (а) наличие линейных вулканических цепей; (б) обширные топографические поднятия (swells); (в) крупные магматические провинции; (г) отчётливые значения изотопных отношений базальтов океанических островов свидетельствуют о существовании глубинных мантийных плюмов [Morgan, W. J. (1971), Convection plumes in the lower mantle, Nature, 230, 42–43]. Термальный плюм, поднимаясь от границы ядро-мантия, несет горячий материал, ответственный за горячую точку.
На сегодня идентифицировано много горячих точек и собрано много информации по ним, что позволило оценить всплывающий поток (buoyancy flux) большинства плюмов моделируя их топографию гравитационные поднятия (см. рис. 2, на котором эти потоки и горячие точки обозначены).
Рис. 2. Всплывающие потоки и горячие точки. Размер красных кружочков пропорционален размеру всплывающих потоков согласно [Sleep 1990.]. Для Гаваев характерен максимальный поток (8.7 Mg s-1). Для горячих точек обозначенных самыми маленькими кружочками, поток не определен. Границы плит изображены зелеными линиями. В этой работе для всех глобальных карт используется проекция Хаммера, центрированная на долготе 90о W.
Ясно, что распределены горячие точки не случайным образом. Обширные регионы лишены горячих точек, в то время, как в Тихом океане много всплывающих потоков. Делаются попытки найти корреляционные связи между распределением горячих точек и такими данными геофизических наблюдений, как высота геоида, низкими скоростями в глубинах мантии и т. д. В данной работе будет уделено внимание индивидуальным плюмам.
Гипотеза плюмов имеет много сторонников, несмотря на то, что на многие вопросы не найдено ответов. Существуют ли плюмы? На что они похожи? Какого они размера? Как они горячи? Действительно ли они поднимаются с границы ядро – мантия? И все ли зарождаются на границе ядро – мантия? Наклонные ли они? Существуют ли несколько типов плюмов? Сейсмическое изображение даст ответ на эти вопросы. Сейсмическая томография позволила получить изображение субдуцируемых плит, что повлияло на то, как представляется мантийная конвекция. Цель настоящей работы – это рассмотреть возможности различных сейсмических методов изучения мантийных плюмов. Представить основные результаты, полученные этими методами и оценить, какие инструменты подходят для исследования плюмов. Но в начале, давайте представим, как термальный плюм выглядит в мантии Земли.
Как плюм может выглядеть?
Предполагается, что мантийные плюмы это узкие, восходящие потоки разогретого вещества. Эти восходящие потоки имеют фиксированные относительно друг друга позиции. Это фиксированное относительно друг друга положение плюмов может нарушаться крупномасштабной циркуляцией вещества мантии (конвекцией), так называемым ”мантийным ветром ” [Christensen, 1998; Steinberger and O’Connell, 1998].
Плюмы проявляются повсеместно при численном моделировании конвекции в мантии [Bunge et al., 1997; Zhong et al., 2000; Cserepes and Yuen, 2000; Farnetani, 1997; Farnetani and Samuel, 2005], а также непосредственно наблюдаются в лабораторных экспериментах [Davaille, 1999; Davaille et al., 2003; Jellinek and Manga, 2002]. Плюмы начали появляться на сейсмических томографических изображениях нижней мантии [Bijwaard and Spakman, 1999; Goes et al., 1999; Rhodes and Davies, 2001; Zhao, 2001; Montelli et al., 2004a, 2004b].
В мантии Земли вязкость уменьшается с ростом температуры. Лабораторные эксперименты с изолированными термальными плюмами в жидкости показали, что плюм имеет грибовидную форму. Большая сферическая головная часть плюма растет медленно, в то время, как наполнение горячим материалом через ствол более быстрое. При достижении головной части плюма поверхности, она уплощается и распространяется в горизонтальном направлении. Мы до настоящего времени не имеем законченной геодинамической модели мантийного плюма. Тем не менее, уже сейчас можно наметить те особые черты плюма, которые могут найти отражение на сейсмическом изображении плюма (Рис. 3).
Рис. 3. Схематический рисунок мантийного плюма (описание в тексте).
Начнем с головной части. Мы находим обширную подушку полюмового материала, разлившегося под литосферой. Анализ поднятий горячих точек показывает, что подушка распространяется по латерали более, чем на 1000 км в диаметре, и она вытянута по направлению движения плиты [Davies 1988, Sleep 1990]. По петрологическим данным для Гавайского плюма максимальная температура на этих глубинах превышает “нормальную” мантийную примерно на 250К. Похожее превышение температуры предполагается для Исландии и нескольких других горячих точек [Schilling 1991]. Если пересчитать значение температурной аномалии, равной 250К, в вариации скорости Р-волн и S-волн, используя температурную производную [Nataf & Ricard 1996], то получим значения -2.25% и -2.75%, соответственно.
Плавление имеет место до глубин примерно 120 км [Watson & McKenzie 1991]. Радиальное распределение температуры в плюме близко к Гауссову. Мы определили диаметр Ф плюма, как двойной радиус до того места, где температура уменьшится до 1/е по отношению к максимальному значению ∆Т. Диаметр Ф имеет порядок 150 – 200 км в верхней мантии.
Плюм пересекает две главные сейсмические границы, расположенные на глубине 410 км и 660 км. Эти границы обусловлены фазовыми переходами мантийных минералов. Слопы (наклон, градиент) Клапейрона должны быть такими, что 410-км граница должна вмяться в плюм (опуститься вниз), а 660-км граница приподняться. В результате чего будет наблюдаться утончение переходной зоны (в данном случае слоя, располагающегося между двумя этими границами). Разлив вещества должен произойти под 660-км границей (линия, обозначенная точками на рис. 3).
В нижней мантии вязкость, возможно, в примерно 30 раз выше, чем в верхней мантии, поэтому диаметр плюма должен быть больше, возможно 500 км и более [Albers & Christensen 1996]. На выше приведенной схеме плюм коренится в термальном пограничном слое выше границы ядро – мантия. При пересечении этой границы температура возрастает более чем на 1000К [Boehler 1993]. Температура плюма может превышать более чем на 600К температуру нижней мантии [Albers & Christensen 1996, Farnetani 1997].
Плавление может происходить как в подошве термального пограничного слоя [Williams & Garnero 1996, Zerr et al 1998] в нижней мантии, так и в стволе плюма, произрастающего из этого слоя. Если граница Лэя (Lay discontinuity) [Lay & Helmberger 1983], располагающаяся над слоем D”, обозначает фазовый переход [Nataf & Houard 1993], то она может быть наклонена в сторону горячего плюма. На рисунке 3 граница Лэя показана прогнутой вниз [Sidorin et al 1999].
Поток горячего материала в плюме близок к вертикальному направлению везде, кроме как у его вершины и подошвы. Это приводит к упорядочиванию минералов, что является причиной сейсмической анизотропии. Отметим, что плюм поднимается через мантию, в которой существуют крупномасштабные конвективные движения. Поэтому возможны искривления плюма за счет “мантийного ветра” [Olson & Singer 1985, Richards & Griffiths 1988]. Реалистичные глобальные модели мантийной циркуляции [Steinberger & O’Connell 1998, Corrieu & Ricard 1999] предсказывают отклонение корневой части плюма в горизонтальном направлении на расстояние до 1500 км в сторону от того места, где он проявился на поверхности Земли.
Схема плюма, мзображенная на рисунке 3 помогает выбрать сейсмологические инструменты для обнаружения плюма в мантии. Выбор инструментов зависит от глубинности исследования. Поэтому описание самих инструментов может быть сгруппировано по четырем глубинным интервалам:
1. Верхняя мантия (0 – 400 км).
2. Транзитная зона (400 – 700 км).
3. Нижняя мантия (700 – 2700 км).
4. Наиболее глубокая часть мантии или слой D” (2700 – 2900 км).
Рис. 4. Сводная схема плюмов. Символами обозначены глубинные интервалы. Цветом обозначен тип наблюдения.
На глобальной карте: Massif Central (Granet et al 1995a,b); Eifel (Raikes & Bonjer 1983; Ritter et al 1997, 1998); Yellowstone (Iyer et al 1981, Evans 1982, Saltzer & Humphreys 1997); Tahiti and Rarotonga (Vinnik et al 1997); Bowie (Nataf & VanDecar 1993); Trinidade (Okal & Anderson 1975, Nataf et al 1981); Paranà (VanDecar et al 1995); Deccan (Kennett & Widiyantoro 1999).
На карте Гаваев: 1 (Ellsworth 1977, Ellsworth & Koyanagi 1977); 2 (Tilmann 1999); 3 (Priestly & Tilmann 1999); 4 (Laske et al 1999); 5 (Vinnik et al 1997); 6 (Li et al 1999); 7 (Ji & Nataf 1998b); 8 (Kanasewich et al 1972, 1973; Kanasewich & Gutowski 1975); 9 (Russell et al 1998); 10 (Bréger & Romanowicz 1998); 11 (prediction: Steinberger &O’Connell 1998); 12 (prediction: Corrieu & Ricard 1999).
На карте Исландии: 1(Tryggvason et al 1983); 2 (Wolfe et al 1997); 3 (Allen et al 1999); 4 (Shen et al 1998); 5 (Ji 1996); 6 (Bijwaard & Spakman 1999); 7 (Helmberger et al 1998); 8(prediction: Corrieu & Ricard 1999)..
Источники информации:
Nataf H.-C.Seismic imaging of mantle plumes.Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2000. v. 28, p. 391–417
Montelli, R., G. Nolet, F. A. Dahlen, and G. Masters (2006), A catalogue of deep mantle plumes: New results from finite-frequency tomography, Geochem. Geophys. Geosyst., 7, Q11007, doi:10.1029/2006GC001248.