ПРАЦІ СЕМІНАРУ

Мантійні плюми і геодинаміка

Праці теоретичного семінару Відділення "Проблеми глобальної геодинаміки і металогенії "

А. Ф. Грачов

Інститут фізики Землі РАН, м. Москва

Анотація

Внутрішньоплитова тектонічна активність і вулканізм, що не знаходять пояснення в рамках тектоніки плит, продовжують залишатися однією з найважливіших проблем сучасної геодинаміки. Найбільш поширена гіпотеза, що задовільно пояснює вулканізм і тектонічну активність усередині як океанічної, так і материковій літосфери, пов’язана з ідеєю гарячих точок і мантійних плюмів. Гарячі точки і мантійні плюми не є синонімами, тому пропонується розмежувати ці поняття і прийняти такі визначення: гаряча точка – прояв внутрішньоплитової магматичної активності, зумовлений процесами у верхній мантії (термін вільного користування); мантійний плюм – прояв внутрішньоплитової тектонічної і магматичної активності, зумовлений процесами у нижній мантії, джерело якої може знаходитися на будь-якій глибині в нижній мантії, аж до межі кора – мантія (шар D'').

Вперше дані ознаки, за якими можна розділяти гарячі точки і мантійні плюми. Показано, що розвиток мантійних плюмів призводить до передрифтового тектонічному режиму, виділення якого дозволяє зрозуміти місце вулканізму в еволюційному ряду рифтогенезу. Виникнення мантійних плюмів, що призводить до утворення великих провінцій плато-базальтів, передує рифтогенезу в межах континентальної літосфери. Подальший розвиток може відбуватися за повного еволюційного ряду, що включає 1) закладення потрійних поєднань континентальних рифтів, 2) подальше потоншення, 3) розрив материкової кори і початок спредінгу. Відзначимо однак, що розвиток окремо взятого плюму не може привести до розриву материкової кори. Останній відбувається у разі закладення системи плюмів на континенті, і процес розколу діє за принципом тріщини що просувається (propagating fracture) від одного плюму до іншого.

ЗМІСТ

Введення

Вираз у рельєфі

Вираз плюмом у гравітаційному полі, аномаліях поверхні геоїда, будову земної кори і верхньої мантії

Особливості формаційного складу

Ідентифікація плюмом за даними ізотопної геохімії

"Чисті" плюму

Рифтогенезом і мантійні плюму

Висновок

Література

Вступ

У 1963 р. Дж. Т. Вілсон під час відвідин о. Гаваї звернув увагу на деяку закономірність, яка, як виявилося, вперше була відзначена на 100 років раніше Дж. Дана. Вілсон зауважив, що на захід від о. Гаваї острови перетворюються на підводні гори, глибина яких зменшується, і висловив припущення, що це є наслідком горизонтального переміщення кори над висхідним потоком з мантії – гарячою точкою (hot spot). Жодних більш-менш строгих визначень поняття гарячої точки Вілсон (Wilson, 1963) не зробив, що згодом призвело до вельми вільного тлумачення цього терміна (див. нижче).

Пізніше Дж. Морган (Morgan, 1971) висунув ідею мантійних плюмів, яка, на перший погляд, близька до поняття гарячої точки, але, як буде показано нижче, принципово відрізняється за багатьма ознаками.

Розвиток цих уявлень в наступні роки став одним з важливих елементів сучасної загальної теорії розвитку Землі і, в кінцевому підсумку, вилилося в самостійну концепцію, що отримала назву тектоніки мантійних плюмів.

Рис. 1 Розподіл гарячих точок на поверхні Землі за трьома каталогам: вгорі – (Grough, Jurdy, 1980); в середині (Sleep, 1990); внизу - (Pollack et al., 1983)

Незважаючи на велику кількість робіт, присвячених характеристиці гарячих точок і мантійних плюмів, в літературі відсутні чітко сформульовані критерії, за якими проводиться виділення гарячих точок і мантійних плюмів (прим. Грачева: На думку Дж. Моргана, в поняття гарячої точки не вкладається жодних конкретних уявлень про їх природу (усне повідомлення, 22 квітня 1982 р., Париж) . Це призводить до того, що, використовуючи одні й ті ж вихідні дані, різні автори виділяють від 11 до 117 гарячих точок (рис. 1).

Як приклад можна навести визначення гарячої точки, дане Дон Андерсоном: «гаряча точка –в це відносно стаціонарна і тривала теплова аномалія в мантії, що є джерелом різних магм, збагачених розсіяними елементами, і що живлять вулкани океанічних островів і внутрішніх частин континентів" (Д. Андерсон, 1981 , с. 197).

На відміну від гарячих точок поняття мантійних плюмів вже в першій роботі Дж.Моргана було чітко сформульоване. Дж. Морган (Morgan, 1971) виділив 20 мантійних плюмів, які він розглядав як вираз конвекції в нижній мантії, що супроводжується теплопотоком і винесенням відносно примітивної речовини мантії в астеносферу. Внаслідок підйому плюму відбувається радіальне горизонтальне розтікання матеріалу, що викликає появу напружень в основі літосферних плит.

Суттєвим моментом, який пізніше неодноразово обговорювався в літературі, є фіксоване положення мантійних плюмів, щодо яких можна визначати переміщення плит літосфери. Більш того, як підкреслює Дж. Морган, перші дані з ізотопного (Pb-Pb) віку базальтів островів Гоф, Трістан-да-Кунья, Св. Олени і Вознесіння (Oversby, Gast, 1970) можуть відображати той факт, як довго може зберігатися речовина нижньої мантії без жодних змін до того, як воно буде винесена на поверхню мантійними плюмами.

Один з головних висновків роботи Дж. Моргана полягає в тому, що мантійні плюми є рушійним механізмом літосферних плит. Він висуває у зв’язку з цим чотири положення:

1 - майже всі мантійні плюми розташовуються поблизу потрійних сполучень гребенів серединно-океанічних хребтів, забезпечуючи, таким чином, силу відштовхування (push), яка приводить в рух плити,

2 - мантійні плюми виникають до початку розсування плит,

3 - гравітаційні аномалії й високі відмітки рельєфу навколо кожного мантійного плюму передбачають не лише прояв вулканізму на поверхні,

4 - ні серединні хребти, ні глибоководні жолоби не здатні приводити плити літосфери в рух.

Далі Дж. Морган звертає увагу на мантійні плюми в межах континентальної частини, що оточує Атлантику: юрські вулканіти Патагонії, пов’язані з мантійним плюмом о. Буве, комплекс кільцевих дайок і плато-базальтів р. Парани, зумовлених мантійним плюмом о. Трістан-да-Кунья, третинну Брито-Арктичну провінцію плато-базальтів і Скергардскую інтрузій (Ісландський або Північно-Атлантичний плюм).

Утворення Атлантичного океану, так само як й Індійського (трапи Декану і плюм о. Реюньйон) зумовлентй, за Морганом, розвитком плюмів. У підсумку він звертає увагу на відносну «бідність» мантійними плюмами континентальної літосфери (рис. 1), підкреслюючи складність виділення плюмів в її межах.

Однак слід зазначити, що складність виділення плюмів в межах континентальної літосфери, в даний час у зв’язку з розвитком хімічної геодинаміки (Zindler, Hart, 1986), є уявним. У цьому зв’язку не можна не звернути увагу на відсутність мантійних плюмів в межах Євразійського континенту на рис. 1 , що в дійсності визначається не «специфікою» мантійної геодинаміки під Азіатським континентом, а все ще недостатньою вивченістю цього регіону до останнього часу (Грачов та ін, 1992а, б; Грачов, 1996, 1997, 1998).

Грачов пропонує розмежувати поняття гарячої точки і мантійного плюму і прийняти такі визначення:

гаряча точка - прояв внутрішньоплитової магматичної активності, обумовлене процесами у верхній мантії (термін вільного користування);

мантійних плюм - прояв внутрішньоплитової тектонічної й магматичної активності, обумовлене процесами в нижній мантії, джерело якої може знаходитися на будь-якій глибині в нижній мантії, аж до межі ядро - мантія (шар D'').

У табл. 1 і 2 наведені ознаки, що дозволяють розрізняти гарячі точки і мантійні плюми, на основі яких ми в подальшому на деяких конкретних прикладах обговоримо ці характеристики.

Таблиця 1

Ознаки сучасних мантійних плюмів

Ознака	Характеристика
Вираз у рельєфі	Зазвичай склепінчасте підняття, на ранній стадії може бути відсутнім. Характерна структура потрійного з’єднання (тріщини, розломи і рифти) з проявом вулканізму від локального на ранній стадії розвитку до утворення плато-базальтів з обсягами до 1 -2 млн. км3
Розміри	Діаметр - до 2000 км
Стаціонарність	Плюми як реперні точки для визначення переміщення плит. Точно не доведена.
Магматизм	1 зазвичай тріщинні виливи 2 Fe-Ti тип базальтів 3 феннеровський тренд диференціації, Ol контроль 4 помірно виражене збагачення легкими РЗЕ
Ізотопні характеристики Мантії	3Не / 4Не (10-6)> 20 143Nd / 144Nd – 0,5126-0,5128 87Sr / 86Sr – 0,7042-0,7052
Тепловий потік	Високий, в 2-3 рази вищий середнього значення
Гравітаційне поле	Позитивні аномалії у вільному повітрі (понад 100 мГал) й ізостатичні (14-18 мГал)
Геоїд	Аномалії геоїда понад +50 м
Границя Мохо	Нечітка, значення Vp сильно варіює від 7,7 до 8,6 км/с, сейсмічна анізотропія різко виражена
Температура плавлення	1400-1600°С
Вік мантії	Дуже древній – до 3.6 млрд. років
Флюїдний режим	H, He, CO2 , CH4
Склад мантії	Sp і / або Gr лерцоліти, порфірокластичні структури
Напруження в плюмі	Значні – від 100 до 800 МПа
Магнітне поле	Відсутність інверсій під час утворення плюму
Глибина зародження	Нижня мантія: шар D''

Таблиця 2

Ознаки сучасних гарячих точок

Ознака	Характеристика
Вираз у рельєфі	Лавові поля і вулкани центрального типу, острови вулканічного походження в межах океанічної літосфери
Розміри	Діаметр – до 100 км
Стаціонарність	Відсутня, переміщуються разом з плитами літосфери
Магматизм	1 вулкани центрального типу поряд з тріщинами виливами 2 лужні базальтоїди та бімодальні серії з розривом Делі 3 дуже виражений боуенівський тренд диференціації 4 сильно виражене збагачення легкими РЗЕ
Ізотопні характеристики	3Не / 4Не (10-6) <10 143Nd / 144Nd - 0.5130-0.5133 87Sr / 86Sr - 0.702-0.703
Тепловий потік	Високий, у 2-3 рази вищий середнього значення
Границя Мохо	Чітка, варіації Vp слабо виражені
Температура плавлення	1200-1250°С
Вік мантії	Не давніше 1,7 млрд. років
Флюїдний режим	Точно не визначений
Склад речовини	Дуніт, гарцбургіти, піроксеніти, рідше Sp лерцоліти
Напруження в мантії	Менше 100 МПа
Магнітне поле	Зв’язок з інверсіями не встановлена
Глибина зародження	Верхня мантія (менше 100 км)

Одне з дискусійних питань, пов’язаних з концепцією мантійних плюмів, стосується зв’язку рифтогенезу з утворенням платобазальтів.

На думку Р. Уайта і Д. Маккензі (White, McKenzie, 1989), розтягнення літосфери передує утворенню плато-базальтів, і цей висновок зроблений на основі вивчення мезокайнозойських трапів (прим. Грачова: терміни платобазальти і трапи розглядаються як синоніми), проте в роботах Д. Андерсона та ін (Anderson et al., 1992) і Б. Сторі (Storey, 1995) це досить поширена думка заперечується. З нашої точки зору, дані за сучасними провінціям плато-базальтів показують, що вони розвиваються в умовах передрифтового режиму і не пов’язані з розтяганням.

Інше дискусійне питання стосується ідентифікації древніх мантійних плюмів, коли багато геологічних та геофізичних ознак-показників не можуть бути використані й залишається практично лише один - склад вилитих лав. Тут головна складність полягає у виявленні слідів плавлення недеплетованого мантійного джерела, яким може бути тільки нижня мантія.