ТРУДЫ СЕМИНАРА

МАНТИЙНЫЕ ПЛЮМЫ И ГЕОДИНАМИКА

Труды теоретического семинара Отделения "Проблемы глобальной геодинамики и металлогении"

А.Ф.Грачев

Институт физики Земли РАН, г.Москва

Начало формы

Конец формы

Аннотация

Внутриплитная тектоническая активность и вулканизм, не находящие объяснения в рамках тектоники плит, продолжают оставаться одной из важнейших проблем современной геодинамики. Наиболее распространенная гипотеза, удовлетворительно объясняющая вулканизм и тектоническую активность внутри как океанической, так и материковой литосферы, связана с идей горячих точек и мантийных плюмов. Горячие точки и мантийные плюмы не являются синонимами, поэтому предлагается разграничить эти понятия и принять следующие определения: горячая точка - проявление внутриплитной магматической активности, обусловленное процессами в верхней мантии (термин свободного пользования); мантийный плюм - проявление внутриплитной тектонической и магматической активности, обусловленное процессами в нижней мантии, источник которой может находиться на любой глубине в нижней мантии, вплоть до границы кора – мантия (слой D’’). Впервые даны признаки, по которым можно разделять горячие точки и мантийные плюмы. Показано, что развитие мантийных плюмов приводит к предрифтовому тектоническому режиму, выделение которого позволяет понять место вулканизма в эволюционном ряду рифтогенеза. Возникновение мантийных плюмов, приводящее к образованию обширных провинций плато-базальтов, предшествует рифтогенезу в пределах континентальной литосферы. Дальнейшее развитие может происходить по полному эволюционному ряду, включаещему заложение тройных соединений континентальных рифтов, последующее утонение, разрыв материковой коры и начало спрединга. Отметим однако, что развитие отдельно взятого плюма не может привести к разрыву материковой коры. Последний происходит в случае заложения системы плюмов на континенте, и процесс раскола действует по принципу продвигающейся трещины (propagating fracture) от одного плюма к другому.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Выражение в рельефе

Выражение плюмов в гравитационном поле, аномалиях поверхности геоида, строении земной коры и верхней мантии

Особенности формационного состава

Идентификация плюмов по данным изотопной геохимии

“Чистые” плюмы

Рифтогенез и мантийные плюмы

Заключение

Литература

Введение

В 1963 г. Дж. Т.Уилсон во время посещения о. Гавайи обратил внимание на некоторую закономерность, которая, как оказалось, впервые была отмечена на 100 лет раньше Дж. Дана. Уилсон заметил, что к западу от о. Гавайи острова превращаются в подводные горы, глубина которых уменьшается, и высказал предположение, что это является следствием горизонтального перемещения коры над восходящим потоком из мантии - горячей точкой (hot spot). Никаких более или менее строгих определений понятия горячей точки Уилсон (Wilson, 1963) не сделал, что впоследствии привело к весьма вольному толкованию этого термина (см. ниже).

Позднее Дж. Морган (Morgan, 1971) выдвинул идею мантийных плюмов, которая, на первый взгляд, близка к понятию горячей точки, но, как будет показано ниже, принципиально отличается по многим признакам.

Развитие этих представлений в последующие годы стало одним из важных элементов современной общей теории развития Земли и, в конечном итоге, вылилось в самостоятельную концепцию, получившую название тектоники мантийных плюмов.

Рис. 1 Распределение горячих точек на поверхности Земли согласно трем каталогам: вверху - (Grough, Jurdy, 1980); в середине (Sleep, 1990); внизу - (Pollack et al., 1983)

Несмотря на большое число работ, посвященных характеристике горячих точек и мантийных плюмов, в литературе отсутствуют четко сформулированные критерии, по которым проводится выделение горячих точек и мантийных плюмов (Прим.авт.: По мнению Дж.Моргана, в понятие горячей точки не вкладывается никаких конкретных представлений об их природе (устное сообщение, 22 апреля 1982 г., Париж). Это приводит к тому, что, используя одни и те же исходные данные, разные авторы выделяют от 11 до 117 горячих точек (рис. 1).

В качестве примера можно привести определение горячей точки, данное Дон Андерсоном: “горячая точка - это относительная стационарная и долгоживущая тепловая аномалия в мантии, являющаяся источником различных магм, обогащенных рассеянными элементами и питающих вулканы океанических островов и внутренних частей континентов” (Д.Андерсон, 1981, с. 197).

В отличие от горячих точек понятие мантийных плюмов уже в первой работе Дж.Моргана было четко сформулировано. Дж. Морган (Morgan, 1971) выделил 20 мантийных плюмов, которые он рассматривал как выражение конвекции в нижней мантии, сопровождающейся теплопотоком и выносом относительно примитивного вещества мантии в астеносферу. Вследствие подъема плюма происходит радиальное горизонтальное растекание материала, вызывающее появление напряжений в основании литосферных плит.

Существенным моментом, который позднее неоднократно обсуждался в литературе, является фиксированное положение мантийных плюмов, относительно которых можно определять перемещение плит литосферы. Более того, как подчеркивает Дж.Морган, первые данные по изотопному (Pb-Pb) возрасту базальтов островов Гоф, Тристан да Кунья, Св. Елены и Вознесения (Oversby, Gast, 1970) могут отражать тот факт, насколько долго может сохраняться вещество нижней мантии без каких-либо изменений до того, как оно будет вынесено на поверхность мантийныйми плюмами.

Один из главных выводов работы Дж. Моргана состоит в том, что мантийные плюмы являются движущим механизмом литосферных плит. Он выдвигает в связи с этим четыре положения:

1 - почти все мантийные плюмы располагаются вблизи тройных соединений гребней срединно-океанических хребтов, обеспечивая, таким образом, силу отталкивания (push), приводящую в движение плиты,

2 – мантийные плюмы возникают до начала раздвижения плит,

3 – гравитационные аномалии и высокие отметки рельефа вокруг каждого мантийного плюма предполагают не только проявление вулканизма на поверхности,

4 – ни срединные хребты, ни глубоководные желоба не способны приводить плиты литосферы в движение.

Далее Дж. Морган обращает внимание на мантийные плюмы в пределах континентальной части, окружающей Атлантику: юрские вулканиты Патагонии, связанные с мантийным плюмом о. Буве, комплекс кольцевых даек и плато-базальтов р. Параны, обусловленных мантийным плюмом о. Тристан да Кунья, третичную Брито-Арктическую провинцию плато-базальтов и Скергардскую интрузию (Исландский или Северо-Атлантический плюм).

Образование Атлантического океана, также как и Индийского (траппы Декана и плюм о. Реюньон) обусловлено, по Моргану, развитием плюмов. В заключение он обращает внимание на относительную “бедность” мантийными плюмами континентальной литосферы (рис. 1), подчеркивая сложность выделения плюмов в ее пределах.

Однако следует отметить, что сложность выделения плюмов в пределах континентальной литосферы, в настоящее время в связи с развитием химической геодинамики (Zindler, Hart, 1986), представляется кажущейся. В этой связи нельзя не обратить внимание на отсутствие мантийных плюмов в пределах Евразийского континента на рис. 1, что в действительности определяется не “спецификой” мантийной геодинамики под Азиатским континентом, а все еще недостаточной изученностью этого региона до последнего времени (Грачев и др., 1992а,б; Грачев, 1996, 1997, 1998).

Мы предлагаем разграничить понятия горячей точки и мантийного плюма и принять следующие определения:

горячая точка - проявление внутриплитной магматической активности, обусловленное процессами в верхней мантии (термин свободного пользования);

мантийный плюм - проявление внутриплитной тектонической и магматической активности, обусловленное процессами в нижней мантии, источник которой может находиться на любой глубине в нижней мантии, вплоть до границы ядро – мантия (слой D’’).

В табл. 1 и 2 приведены признаки, позволяющие различать горячие точки и мантийные плюмы, на основе которых мы в дальнейшем на некоторых конкретных примерах обсудим эти характеристики.

Таблица 1

Признаки современных мантийных плюмов

Признак	Характеристика
Выражение в рельефе	Обычно сводовое поднятие, на ранней стадии может отсутствовать. Характерна структура тройного соединения (трещины, разломы и рифты) с проявлением вулканизма от локального на ранней стадии развития до образования плато-базальтов с объемами до 1 –2 млн. км3
Размеры	Диаметр – до 2000 км
Стационарность	Плюмы как реперные точки для определения перемещения плит. Точно не доказана.
Магматизм	1 обычно трещинные излияния 2 Fe –Ti тип базальтов 3 феннеровский тренд дифференциации, Ol контроль 4 умеренно выраженное обогащение легкими РЗЭ
Изотопные характеристики Мантии	3Не/ 4Не (10-6) > 20 143Nd/144Nd – 0.5126-0.5128 87Sr/86Sr – 0.7042-0.7052
Тепловой поток	Высокий, в 2-3 раза выше среднего значения
Гравитационное поле	Положительные аномалии в свободном воздухе (более 100 мГал) и изостатические (14-18 мГал)
Геоид	Аномалии геоида более +50 м
Граница Мохо	Нечеткая, значения Vp сильно варьирует от 7.7 до 8.6 км/с, сейсмическая анизотропия резко выражена
Температура плавления	1400-1600o С
Возраст мантии	Очень древний – до 3.6 млрд. лет
Флюидный режим	H, He, CO2, CH4
Состав мантии	Sp и/ или Gr лерцолиты, порфирокластические структуры
Напряжения в плюме	Значительные – от 100 до 800 МПа
Магнитное поле	Отсутствие инверсий во время образования плюма
Глубина зарождения	Нижняя мантии: слой D’’

Таблица 2

Признаки современных горячих точек

Признак	Характеристика
Выражение в рельефе	Лавовые поля и вулканы центрального типа, острова вулканического происхождения в пределах океанической литосферы
Размеры	Диаметр – до 100 км
Стационарность	Отсутствует, перемещаются вместе с плитами литосферы
Магматизм	1 вулканы центрального типа наряду с трещинными излияниями 2 щелочные базальтоиды и бимодальные серии с разрывом Дели 3 сильно выраженный боуэновский тренд диффренциации 4 сильно выраженное обогащение легкими РЗЭ
Изотопные характеристики	3Не/4Не (10-6) <10 143Nd/ 144Nd – 0.5130-0.5133 87Sr/86Sr – 0.702-0.703
Тепловой поток	Высокий, в 2-3 раза выше среднего значения
Граница Мохо	Четкая, вариации Vp слабо выражены
Температура плавления	1200-1250o С
Возраст мантии	Не древнее 1.7 млрд. лет
Флюидный режим	Точно не определен
Состав вещества	Дуниты, гарцбургиты, пироксениты, реже Sp лерцолиты
Напряжения в мантии	Менее 100 МПа
Магнитное поле	Связь с инверсиями не установлена
Глубина зарождения	Верхняя мантия (менее 100 км)

Один из дискуссионных вопросов, связанных с концепцией мантийных плюмов, касается связи рифтогенеза с образованием платобазальтов.

По мнению Р.Уайта и Д.Маккензи (White, McKenzie, 1989), растяжение литосферы предшествует образованию плато-базальтов, и этот вывод сделан на основе изучения мезокайнозойских траппов (Прим.авт.: термины платобазальты и трапы мы рассматриваем как синонимы.), однако в работах Д.Андерсона и др. (Anderson et al., 1992) и Б.Стори (Storey, 1995) это довольно распространенное мнение оспаривается. С нашей точки зрения, данные по современным провинциям плато-базальтов показывают, что они развиваются в условиях предрифтового режима и не связаны с растяжением.

Другой дискуссионный вопрос касается идентификации древних мантийных плюмов, когда многие геологические и геофизические признаки-показатели не могут быть использованы и остается практически только один – состав излившихся лав. Здесь главная трудность заключается в выявлении следов плавления недеплетированного мантийного источника, которым может быть только нижняя мантия.

В начало