УДК 551.14:551.215
Регулярные вулканические хребты океанов. Пучков В. Н. // Металлогения древних и современных океанов–2008. Рудоносные комплексы и рудные фации. Миасс: ИМин УрО РАН, 2008.
Построена схема расположения вулканических цепей океанов, для которых их регулярный (time-progressive) характер (изменение возраста вулканизма от наиболее древнего на одном конце до наиболее молодого на другом) подтверждается определениями абсолютного возраста. Показано, что существование регулярных вулканических цепей, которых насчитывается более двух десятков, и особенности их размещения не могут быть объяснены без привлечения представлений о плюмах. Существующие гипотезы бегущей трещины и дрейфующего базитового очага плавления в астеносфере не в состоянии ответить на ряд вопросов. Так, гипотеза дрейфующего базитового очага плавления для горячих точек в Индийском и восточной части Атлантического океана показывает омоложение в направлении, противоположном тому, который наблюдается. Продуктивность идеи об участии основных пород мантии в формировании аномальных очагов плавления представляется весьма вероятной, но работать эта модель может лишь в воздымающемся мантийном потоке конвектирующей мантии, или, иными словами, в плюме.
Илл. 1. Библ. 18.
В. Н. Пучков
Институт геологии УНЦ РАН, г. Уфа
Регулярные вулканические хребты океанов
Идея о том, что цепи вулканов, наблюдаемые на океаническом дне и не связанные непосредственно ни с зонами субдукции, ни с СОХ, являются «горячими точками» – поверхностными проявлениями аномальных участков плавления в мантии – была высказана более 40 лет тому назад Т. Вильсоном (1963). Вслед за тем идея была развита В. Морганом (1971) в виде концепции мантийных плюмов («перьев», «плюмажей») – пространственно зафиксированных вертикальных потоков, «апвеллингов» горячего легкого вещества, поднимающихся от границы ядро-мантия. Следы этих потоков на земной поверхности выражены в виде хребтов, обладающих регулярным (time-progressive) изменением возраста вулканизма в них – от наиболее древнего на одном конце до наиболее молодого (часто современного) на другом. Было высказано предположение, что положение хребтов, направление и скорость перемещения проявлений активного вулканизма целиком зависит от движения литосферных плит, что позволяет использовать проекцию любого из плюмов на земную поверхность в качестве относительно стабильной точки отсчета при анализе движений плит.
Автор с использованием данных [O’Neil et al., 2005; Geldmacher et al., 2005; Clouard, Bonneville, 2005 и др.] построил схему расположения вулканических цепей, для которых их регулярный характер подтверждается определениями абсолютного возраста. Таких цепей насчитывается более двух десятков. Таким образом, вопрос сейчас состоит не в том, есть такие цепи или их существование – артефакт, следствие погрешностей в измерениях. Статистическая вероятность таких «направленных» погрешностей чрезвычайно мала, и значит факт их существования можно считать доказанным.
Другое дело, что объяснение их происхождения с помощью плюмов – не единственное. К поиску таких альтернативных объяснений, казалось бы, подталкивает уже тот факт, что в последнее время представления о неподвижности плюмов были существенно поколеблены. В частности, в ходе палеомагнитных исследований были выявлены смещения следов плюмов, независимые от движения плит, в результате чего плюмы было предложено рассматривать скорее в качестве «плавучих якорей», чем закрепленных точек отсчета [Davailleetal., 2002]. Новые результаты сравнения траекторий кажущегося движения полюса (ТКДП) по палеомагнитным данным и данным движений горячих точек говорят о хорошей сходимости их за последние 49 млн лет и о систематических, увеличивающихся с возрастом отклонениях в более древние эпохи [Sager, 2007]. Более того, сравнение положения горячих точек для Тихого океана, относительно плюмов в Атлантическом и Индийском океанах, показали их взаимные отклонения при согласованности внутри этих групп [Norton, 2000; Raymondetal., 2000]. Было выдвинуто [Norton, 2000] положение о трех семействах горячих точек: Тихоокеанского, Индо-Атлантического и Исландского. Как было показано, горячие точки первых двух семейств оставались относительно фиксированными внутри каждого в течение последних 80 млн лет. К выводу об еще более длительном времени фиксированного расположения плюмов над высокоскоростными районами слоя D” на границе ядро-мантия приходят такие ведущие геофизики как К. Берк, К. Т. Торсвик и др. [Burke, Torsvik, 2004; Burkeetal., 2005] (подробнее об этом будет сказано ниже).
Итак, регулярные цепи вулканов существуют, а их согласованность, по крайней мере внутри семейств, на протяжении длительных отрезков времени, сопоставимых с жизнью этих цепей, оставалась достаточно постоянной. Это значит, что даже при условии, что плюмы не являются абсолютно неподвижными, плюмовая гипотеза остается конкурентноспособной, и бросает вызов тем исследователям, которые отрицают существование плюмов (таких исследователей в последнее время становится все больше).
Необходимость как-то иначе объяснять неудобный для противников плюмов факт существования регулярных вулканических цепей, вернул к жизни полузабытую идею Дж. Дана, – гипотезу бегущей трещины [Foulger, 2007;Stuartetal., 2007]. Казалось бы, наиболее естественный подход к проверке гипотезы бегущей трещины должен был состоять в анализе тех сил, которые движут литосферными плитами и деформируют их. Следовало бы показать, что сложение или трансформация этих сил ведет к растяжению, поперечному к предполагаемой трещине, и соответственно, к вулканической цепи. Однако, в наиболее очевидном случае Гавайи-Императорского хребта и других подобных ему в Тихом океане, представления о классических силах и деформациях, действующих на тектонические плиты: тяга слэба и откат его шарнира, волочение плиты мантийным потоком, раздвигающие силы в СОХ (subductionslabpullandrollback, mantledragandridgepush) – не приводят к представлению о растягивающих напряжениях. Наоборот, как было показано большой группой исследователей [Zobacketal., 1989], максимальный горизонтальный стресс обычно субпараллелен абсолютному направлению движения плит, указывая на то, что силы, двигающие плиту, определяют распределение стресса и внутри ее. Однако, в недавно опубликованной работе, посвященной обоснованию механизма бегущей трещины [Stuartetal., 2007], эти соображения не были приняты во внимание. Решалась задача оценки термоэластического стресса, возникающего при остывании Тихоокеанской плиты, которая была представлена в качестве сферической скорлупы. Избавившись от неудобных обстоятельств в виде мощных сил плитного механизма, авторы получили желаемый результат в виде растягивающих сил, приводящих к образованию трещины. В физике нередко приходится отбрасывать второстепенные факторы, чтобы упростить задачу. Однако, в данном случае были отброшены главные силы.
В отличие от плюм-тектоники, гипотеза бегущей трещины не в состоянии ответить на следующие вопросы: 1. Почему направления распространения предполагаемых трещин во всех океанах ориентированы в соответствии с движением плит (т.е. направление удревнения примерно отвечает современному вектору перемещения плиты по геодезическим измерениям)? 2. Почему на морфологию трещины, если таковая была, не влияет сильнейшая анизотропия океанической, переходной и краевой континентальной коры, пересекаемой цепями вулканов? 3. Почему, если источник напряжений находится в литосфере, вулканические цепи Реюньон и Кергелен пересекли активный срединно-океанический хребет? 4. Почему современные или недавно потухшие головные вулканы почти всех регулярных вулканических хребтов сосредоточены над суперсвеллами, или LLSVP, как это наглядно демонстрирует схема этих хребтов, представленная автором)?
Последний вопрос требует более подробного рассмотрения. С помощью специальной методики была проведена обработка палеомагнитных данных по крупным магматическим (трапповым) провинциям (КМП) и связанным с ними плюмов, и полученные результаты были сопоставлены с новейшими данными сейсмотомографии [Burke, Torsvik, 2004; Burkeetal., 2005]. Выяснилось, что КМП и плюмы, возникшие в течение последних 300 млн лет (т. е., со времени образования Пангеи и ее распада), лежали точно вертикально над контурами зоны 1 % замедления S-волн, окружающих крупнейшие Африканскую и Тихоокеанскую провинции замедленных поперечных волн (LLSVPs – LargeLowShearVelocityProvinces или «суперсвеллы») на границе ядро-мантия (ЯМГ). Крутые градиенты скоростей совпадают с этими 1 % контурами. Местоположения 24 выбранных авторами по различным признакам наиболее активных вулканических горячих точек совпадают с теми же границами (результат сравним со схемой, полученной автором на основании независимых, чисто возрастных данных). Таким образом, эти контуры отвечают зонам генерации плюмов (ЗГП). Вертикальная проекция ЗГП отвечает +10 м контуру геоида. Регионы с более негативными значениями скоростей, составляющие около 2 % общей массы мантии, вероятно, отличаются по составу от остальной мантии, с чем согласны и многие другие исследователи [Балышев, Иванов, 2001; Garnero et al., 2007 и др.].
Оставляя без комментариев гипотезу «бегущей трещины», но, по-видимому, понимая ее слабость, другой противник плюмовой теории, Д. Андерсон [Anderson, 2007] выдвинул гипотезу дрейфующего очага плавления (easilymeltingeclogite «blob») в астеносфере, скорость движения которого больше скорости движения коры, но меньше скорости движения подстилающей мантии. Гипотеза была представлена в графическом виде [Cuffaro, Doglioni, 2007].
Oднако, в этом случае результат подобен случаю с «бегущей трещиной»: гипотеза была разработана для Гавайи-Императорского хребта, а что касается всех горячих точек в Индийском и восточной части Атлантического океана, то они омолаживаются в направлении, противоположном тому, что предсказывает эта гипотеза. Подробнее разбор этой гипотезы дан ранее [Пучков, 2007].
Тем не менее, продуктивность самой идеи об участии основных пород мантии в формировании аномальных очагов плавления представляется весьма вероятной. Она была продемонстрирована в последнее время [Sobolev et al., 2005] при объяснении геохимических особенностей гавайских вулканитов. Была предложена модель последовательного плавления в мантии. На глубине около 150 км, в зоне низких сейсмических скоростей, лежащей на глубине 130–170 км (астеносфера?), начинается плавление эклогита (продукта рециклинга литосферы), поднимающегося в центре плюма. Образовавшийся расплав, просачиваясь через вышележащие перидотиты, вступает с ними в реакцию, образуя вторичный (обогащенный) пироксенит.
При дальнейшем подъеме плюма происходит плавление пироксенита, а затем и перидотита, и происходит неполное смешение расплавов, что и проявляется в геохимических особенностях излившихся вулканитов. Единственное, но очень важное отличие этой модели от андерсоновской заключается в том, что она работает именно в воздымающемся мантийном потоке конвектирующей мантии, или, иными словами, в плюме. Более того: без такого потока эклогит не может зависать в астеносфере, как это принимается в модели, пытающейся объяснить регулярную возрастную последовательность в вулканических хребтах (см. выше). В коре и верхах мантии габбро имеет плотность 2.87; перидотит 3.3; эклогит 3.45. На глубине около 150 км в астеносфере базит (эклогит) будет тонуть, а на глубине менее 50 км превратится в габбро и всплывет к кровле астеносферы.
При дальнейшем подъеме плюма происходит плавление пироксенита, а затем и перидотита, и происходит неполное смешение расплавов, что и проявляется в геохимических особенностях излившихся вулканитов. Единственное, но очень важное отличие этой модели от андерсоновской заключается в том, что она работает именно в воздымающемся мантийном потоке конвектирующей мантии, или, иными словами, в плюме. Более того: без такого потока эклогит не может зависать в астеносфере, как это принимается в модели, пытающейся объяснить регулярную возрастную последовательность в вулканических хребтах (см. выше). В коре и верхах мантии габбро имеет плотность 2.87; перидотит 3.3; эклогит 3.45. На глубине около 150 км в астеносфере базит (эклогит) будет тонуть, а на глубине менее 50 км превратится в габбро и всплывет к кровле астеносферы.
Таким образом, существование регулярных вулканических цепей не может быть объяснено без привлечения представлений о плюмах, поскольку альтернативные гипотезы этого сделать не в состоянии.
Литература
1. Балышев С. О., Иванов А. В. Низкоплотностные аномалии в мантии: восходящие плюмы и/или разогретые литосферные плиты? // ДАН, 2001. Т. 380. № 4.
С. 523–527.
С. 523–527.
2. Пучков В. Н. Взаимоотношения плюм- и плейт-тектоники в перспективе развития глобальной геодинамической теории // Геодинамика, магматизм, метаморфизм и рудообразование. Екатеринбург:ИГГУрОРАН, 2007. С.23–51.
3. Anderson D. L. The Eclogite Engine: Chemical geodynamics as a Galileo Thermometer // Plates, Plumes, and Planetary Processes. The Geological Society of America Special Paper 430, 2007. 998p.
4. Burke K., Torsvik T. H. Derivation of Large Igneous Provinces of the past 200 million years from long-term heterogeneties in the deep mantle // Earth and Planetary Science Letters, 2004. Vol. 227. P. 531–538.
5. Burke K., Steinberger B., Torsvik T. H., Smethurst M. A. Plume Generation Zones at the margins of Large Low Shear Velocity Provinces on the core–mantle boundary // Earth and Planetary Science Letters, 2008. Vol. 265. P. 49–60.
6. Clouard V., Bonneville A. Ages of seamounts, islands, and plateaus on the Pacific plate // Plates, plumes and paradigms. Geol. Soc. America Spec. Paper 388, 2005. P.71–90.
7. Cuffaro M., Doglioni C. Global Kinematics in the Deep Vs Shallow Hotspot
reference Frames // Plates, Plumes, and Planetary Processes. Geological Society of America Special Paper 430, 2007. 998 p.
reference Frames // Plates, Plumes, and Planetary Processes. Geological Society of America Special Paper 430, 2007. 998 p.
8. Davaille A, Girard F., Le Bars M. How to anchor hotspots in a convecting
mantle? // E P S L., 2002. Vol. 203. P. 621–634.
mantle? // E P S L., 2002. Vol. 203. P. 621–634.
9. Foulger G. R.The «Plate» model for the genesis of melting anomalies // Plates, Plumes, and Planetary Processes. Geological Society of America Special Paper 430, 2007. 998 p.
10. Garnero E. J., Lay T., McNamara A. Implications of lower mantle structural heterogeneity for existence and nature of whole mantle plumes // Plates, Plumes, and Planetary Processes. Geological Society of America Special Paper 430, 2007. 998 p.
11. Geldmacher J., Hoernle K., v.d. Bogaard P., Duggen S., Werner R. New
40Ar/39Ar age and geochemical data from seamounts in the Canary and Madeira volcanic provinces: Support for the mantle plume hypothesis // Earth and Planetary Science Letters, 2005. Vol. 237. P. 85–101.
40Ar/39Ar age and geochemical data from seamounts in the Canary and Madeira volcanic provinces: Support for the mantle plume hypothesis // Earth and Planetary Science Letters, 2005. Vol. 237. P. 85–101.
12. Morgan W. J. Convective plumes in the lower mantle // Nature, 1971. Vol. 230. P. 42–43.
13. Norton I. O. Global hotspot reference frames and Plate motion // The history and dynamics of global motions. AGU Geophysical Monograph № 121, 2000. P. 339–357.
14. O’Neill C., Müller D., Steinberger B. On the uncertainties in hot spot reconstructions and the significance of moving hot spot reference frames // G3 Geochemistry, Geophysics, Geosystems,2000, 6. № 4. P. 1–35.
15. Raymond C. A., Stock J. M., Cande S. C. Fast Paleogene motion of the Pacific hotspots from revised global plate circuit constraints // The history and dynamics of global motions. AGU Geophysical Monograph № 121, 2000. P. 359–375.
16. Sager W. W. Divergence Between Paleomagnetic and Hotspot Model Predicted Polar Wander for the Pacific Plate with Implications for Hotspot Fixity Frames // Plates, Plumes, and Planetary Processes. Geol. Soc. America Spec. Paper 430, 2007. P. 753–785.
17. Sobolev A. V., Hofmann A. W., Sobolev S. V., Nikogosian I. K. An olivine-free mantle source of Hawaiian shield basalts // Nature, 2005. Vol. 434. P. 590–597.
18. Stuart W. D., Foulger G. R., Barall M. Propagation of the Hawaiian-Emperor volcano chain by Pacific plate cooling stress // The Origins of Melting Anomalies: Plates, Plumes, and Planetary Processes. Geological Society of America Special Paper 430, 2007. P. 815–837.