Теория мантийных плюмов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский педагогический государственный университет". Географический факультет.
Кафедра геологии и геохимии ландшафта.
курсовая работа на тему
«Теория мантийных плюмов»
Выполнила:
студентка II курса Степанова К.В.
Научный руководитель:
доцент, к.г.н. Филатова Е.В.
Москва, 2012
Содержание
Введение......................
Глава 1. Внутреннее строение
Земли.........................
Глава 2. Концепция тектоники
литосферных плит..........................
Глава 3. Теория плюмов........................
3.1 Плюмы и горячие точки.........
3.2 Основные вопросы теории.......
Глава 4. Горячие точки.........................
4.1 Гавайи........................
4.2 Исландия......................
Глава 5. Критика теории плюмов........................
Заключение....................
Список литературы....................
Введение
Гипотеза восходящих мантийных струй (плюмов), выступающих на поверхность в «горячих точках», выдвинута в 1963 г. Дж. Вилсоном и обоснована в 1972 г. В. Морганом. С ее помощью объясняется внутриплитный магматизм и образование линейных вулканических цепей, в которых возраст построек закономерно увеличивается по мере удаления от современных активных вулканов.
Плюм-тектоника с каждым годом все более популярна. Она становится если не альтернативной, то почти равноправным партнером плейт-тектоники (тектоники литосферных плит).
В связи с этим целью данной курсовой работы является обобщение существующих на сегодняшний день сведений о мантийных плюмах.
Для достижения этой цели мною были поставлены следующие задачи:
- изучение внутреннего строения Земли;
- изложение концепции тектоники литосферных плит;
- рассмотрение теории плюмов;
- обзор «классических» горячих точек;
- ознакомление с критикой теории плюмов.
Глава 1
Внутреннее строение Земли
Состав и строение глубинных оболочек Земли являются одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Еще в первой половине XX века сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом была разработана широко известная модель внутреннего строения Земли, разделяющая ее на ядро, мантию и земную кору. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра. Радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича (Мохо, М), выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.
Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - зона в интервале глубин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, E - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D' (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.
Рис. 1. Схема глубинного строения Земли по Пущаровскому Д.Ю. и Пущаровскому Ю.М., 1998 г.
Внутреннее ядро, имеющее радиус 1225 км, твердое и обладает большой плотностью - 12,5 г/см3. Внешнее ядро жидкое, его плотность 10 г/см3. На границе ядра и мантии отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности. В мантии она снижается до 5,5 г/см3. Слой D", находящийся в непосредственном соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре значительно превышают температуры мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли сквозьмантийные тепломассопотоки, называемые плюмами. Подробнее это явление будет рассмотрено в главе 3.
Верхняя граница слоя D" неопределенна; ее уровень от поверхности ядра может варьировать от 200 до 500 км и более. Таким образом, можно заключить, что данный слой отражает неравномерное и разноинтенсивное поступление энергии ядра в область мантии.
Границей нижней и верхней мантии в рассматриваемой схеме служит сейсмический раздел, лежащий на глубине 670 км. Он имеет глобальное распространение и обосновывается скачком сейсмических скоростей в сторону их увеличения, а также возрастанием плотности вещества нижней мантии. Этот раздел является также и границей изменений минерального состава пород в мантии.
Таким образом, нижняя мантия, заключенная между глубинами 670 и 2900 км, простирается по радиусу Земли на 2230 км. Верхняя мантия имеет хорошо фиксирующийся внутренний сейсмический раздел, проходящий на глубине 410 км. При переходе этой границы сверху вниз сейсмические скорости резко возрастают. Здесь, как и на нижней границе верхней мантии, происходят существенные минеральные преобразования.
Верхнюю часть верхней мантии и земную кору слитно выделяют как литосферу, являющуюся верхней твердой оболочкой Земли, в противоположность гидро- и атмосфере. Теория литосферных плит предполагает «скольжение» блоков литосферы по астеносфере ― размягченном, возможно, частично жидком глубинном слое пониженной вязкости. В пределах континентов глубина залегания астеносферных слоев (линз) варьирует от 100 км до многих сотен, а под океанскими абиссальными впадинами астеносферный слой лежит на глубинах 70-80 км и менее. [2]
Таковы основы представлений о строении Земли, сложившиеся к настоящему времени. В следующей главе будет более подробно рассмотрена теория литосферных плит, объясняющая причины движения земной коры, изменения ее структуры и явления магматизма.
Глава 2
Концепция тектоники литосферных плит
Еще в XVII веке удивительное совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило некоторых ученых на мысль о том, что континенты «гуляют» по планете. Но только три века спустя, в 1912 году, немецкий метеоролог Альфред Лотар Вегенер подробно изложил свою гипотезу континентального дрейфа, согласно которой относительное положение континентов менялось на протяжении истории 3емли. Одновременно он выдвинул множество аргументов в пользу того, что в далеком прошлом континенты были собраны вместе. Помимо сходства береговых линий им были обнаружены соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Профессор Вегенер активно отстаивал идею о существовании в прошлом единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны. Но эта необычная теории не была воспринята всерьез, потому что с точки зрения того времени казалось совершенно непостижимым, чтобы гигантские континенты могли самостоятельно перемещаться по планете. К тому же сам Вегенер не смог предоставить подходящий «механизм», способный двигать континенты.
Однако в 1961-1968 гг. усилиями американских, английских, канадских и французских геологов и геофизиков были разработаны основы новой теории, первоначально больше известной как новая глобальная тектоника, а затем как тектоника плит (или тектоника литосферных плит). Предпосылкой этой теории стала идея спрединга океанского дна. Вскоре новая концепция начала получать фактическое подтверждение благодаря глубоководному бурению с американского судна «Гломар Челленджер». Также доказательства теории приносили наблюдения с подводных спускаемых аппаратов и данные сейсмической геодезии. Наконец, с появлением сейсмической томографии нашла подтверждение реальность погружения холодных литосферных плит глубоко в мантию, а также конвективных течений в мантии, рассматриваемых тектоникой плит в качестве одной из основных движущих сил.
Все это дает полное основание расценивать тектонику плит как первую в истории геотектоники научную теорию, имеющую достаточную предсказательную силу.
Рассмотрим основные положения этой теории.
1. Первой предпосылкой тектоники плит является разделение верхней части твердой Земли на две оболочки, существенно отличающиеся по реологическим свойствам (вязкости), — жесткую и хрупкую литосферу и более пластичную и подвижную астеносферу. Выделение этих двух оболочек производится по сейсмологическим (скорость сейсмических волн, степень их затухания) или магнитотеллурическим (степень сопротивления естественным электрическим токам) данным.
2. Второе положение тектоники плит, которому она и обязана своим названием, состоит в том, что литосфера естественно подразделена на ограниченное число плит — в настоящее время семь крупных и большое число малых. Основанием для их выделения и проведения границ между ними служит размещение очагов землетрясений. Оно отличается крайней неравномерностью: внутренние части плит практически асейсмичны, вернее очень слабо сейсмичны (есть исключения), а основное выделение сейсмической энергии происходит на границах между плитами, которые по этому признаку и проводятся. В большинстве случаев, но не везде, эти границы достаточно четкие, но в Евразии существует широкий пояс рассеянной сейсмичности и нечто подобное наблюдается в Северной Америке — на Аляске и в южной части Северо-Американских Кордильер.
3. Третье положение тектоники плит касается характера их взаимных перемещений. Различают три рода таких перемещений и соответственно границ между плитами:
1) дивергентные границы, вдоль которых происходит раздвижение плит, — спрединг;
2) конвергентные границы, на которых идет сближение плит, обычно выражающееся поддвигом одной плиты под другую. Если океанская плита пододвигается под континентальную, этот процесс называется субдукцией, если океанская плита (кора, литосфера) надвигается на континентальную — обдукцией; если сталкиваются две континентальные плиты, тоже обычно с поддвигом одной под другую, — коллизией;
3) трансформные границы, вдоль которых происходит горизонтальное скольжение одной плиты относительно другой по плоскости вертикального трансформного разлома.
В природе преобладают границы первых двух типов. Дивергентные границы приурочены к осевым зонам срединно-океанских хребтов и межконтинентальным рифтам, конвергентные — к осевым зонам глубоководных желобов, сопряженных с островными дугами. Некоторые границы, как видно из той же схемы, являются одновременно конвергентными и трансформными, т.е. сочетают элементы поддвига и сдвига (транспрессивные границы).
На дивергентных границах, в зонах спрединга, происходит непрерывное рождение новой океанской коры. Кора эта перемещается астеносферным течением в сторону зон субдукции, где она поглощается на глубине. Эти процессы схематически изображены на рисунке 2.
Рис.2. Схема основных видов движений литосферных плит.
4. Четвертое положение тектоники
плит заключается в том, что при своих
перемещениях плиты подчиняются законам
сферической геометрии, а точнее теореме
Эйлера, согласно которой любое перемещение
двух сопряженных точек по сфере совершается
вдоль окружности, проведенной относительно
оси, проходящей через центр Земли. Выход
этой воображаемой оси на земную поверхность
называется полюсом вращения или раскрытия.
В соответствии с теоремой Эйлера движение литосферных плит по поверхности сферы можно представить как вращение вокруг оси, проходящей через центр сферы (рис.3). Трансформные разломы дают направление «эйлеровых широт». Линейная скорость (на рисунке — скорость спрединга) нарастает по мере удаления от полюса вращения (Э — «эйлеров полюс»). Справа — схема по К. Ле Пишону и др. (1973): определение координат полюса вращения по пересечению срединных перпендикуляров к линиям большого круга, проходящим через точки А—А' и В—В'; а — угол вращения, соответствующий перемещению точек.
Это положение тектоники плит широко применяется для реконструкции их перемещений.
Рис. 3. Теорема Эйлера в движении литосферных плит по В.Е. Хаину, М.Г.Ломизе, 1995 г.
5. Пятое положение тектоники плит гласит, что объем поглощаемой в зонах субдукции океанской коры равен объему коры, нарождающейся в зонах спрединга. Таким образом, субдукция и обдукция компенсируют спрединг, и радиус Земли может изменяться не более чем на 1%.
6. Шестое положение тектоники плит усматривает основную причину движения плит в мантийной конвекции. Эта конвекция в классической модели 1968 г. является чисто тепловой и общемантийной, а способ ее воздействия на литосферные плиты состоит и том, что эти плиты, находящиеся в вязком сцеплении с астеносферой, увлекаются течением последней и движутся на манер ленты конвейера от осей спрединга к зонам субдукции. В целом схема мантийной конвекции, приводящей к плитнотектонической модели движений литосферы, состоит в том, что под срединно-океанскими хребтами располагаются восходящие ветви конвективных ячей, под зонами субдукции — нисходящие, а в промежутке между хребтами и желобами, под абиссальными равнинами и континентами — горизонтальные отрезки этих ячей.
В настоящее время непосредственное волочение литосферных плит астеносферным течением вследствие вязкого сцепления между литосферой и астеносферой не считается единственной и даже главной, движущей плиты, силой, поскольку вязкости литосферы и астеносферы существенно различаются. Значительно большая роль отводится двум другим силам — отталкиванию литосферных плит от осей срединных хребтов под влиянием гравитации, вследствие их значительного превышения над абиссальными равнинами и их затягиванию в зоны субдукции вследствие того, что в результате охлаждения океанская литосфера оказывается более тяжелой, чем астеносфера, и утрачивает благодаря этому свою плавучесть.
Мантийная конвекция не является чисто умозрительным построением. Ее неизбежность стала очевидной после того, как были открыты явления интенсивной гидротермальной деятельности (горячие источники) в зонах спрединга, не только срединно-океанских, но и окраинно-морских, что заставило резко увеличить оценку теплового потока, идущего из глубин Земли. Если бы это тепло удалялось из недр только путем кондуктивной теплопроводности. Земля должна была бы достаточно быстро разогреться, а ее верхние оболочки — расплавиться (собственно, такой разогрев, хотя и меньшего масштаба, и предполагался в ранних тепловых моделях Земли, когда не учитывался конвективный теплоперенос). Конвекция является гораздо более эффективным механизмом удаления внутреннего тепла Земли. В настоящее время, как указывалось выше, ее реальность подтверждена сейсмотомографией, выявившей существование в мантии чередования областей разогрева и охлаждения.
Перспективной представляется концепция, предложенная Л.И. Лобковским и названная им двухъярусной тектоникой плит. Она основана на отмеченном уже факте реологической расслоенности литосферы, при которой верхняя кора и литосферная мантия ведут себя как жесткие тела, а нижняя кора (в океане - верх мантии) – как пластичные. В этих условиях может происходить отслаивание коры от мантии и ее самостоятельное перемещение.
В своей первоначальной форме тектоника плит почти не рассматривала вопрос о внутриплитной тектонике. Литосферные плиты вовсе не являются столь жесткими, монолитными и недеформируемыми, как это декларируется во втором положении изложенной концепции. Об этом свидетельствуют значительные внутриплитные и окраинно-плитные дислокации и проявления магматизма. Этот и ряд других важных вопросов нашли свое развитие в ходе интенсивных и разнообразных исследований, которые стимулировала тектоника плит не только в геотектонике, но и в других науках о Земле и которые успешно проводятся учеными многих стран уже в течение нескольких десятилетий. [6]
Самым важным дополнением к «классической» тектонике плит явилась концепция, получившая название «тектоники плюмов» или «плюм-тектоники», о которой пойдет речь в следующей главе.
Глава 3
Теория мантийных плюмов
3.1 Плюмы и горячие точки
Активные внутриплитные
Так зародилась теория «горячих точек» и «мантийных струй (плюмов)». История ее концепции восходит к 60-м и 70-м гг. прошлого века, когда Дж. Вилсон выдвинул идею о том, что Гавайские острова образовались в результате движения океанической литосферы над стационарной горячей точкой. В 1971 году Дж. Морган предположил, что горячие точки возникают за счет вертикальных потоков горячего вещества в мантии ― плюмов.
Понятие «плюм» было заимствовано геологами из гидродинамики, где так называют поток одной жидкости в другой.
Плюм в геологии ― это горячий мантийный поток, двигающийся независимо от конвективных течений в мантии. Плюмы считаются причиной возникновения траппов, рифтов и горячих точек.
В настоящее время насчитывается по разным данным от 49[12] до 122[13] горячих точек. Горячие точки встречаются как внутри плит, так и на дивергентных (раздвигающихся) границах между плитами (рис. 4).
По первоначальному предположению горячие точки располагаются над фиксированным струйным объектом в мантии, который «прожигает» проходящую над ним литосферу.
Рис. 4. Распределение горячих точек на поверхности Земли по Crough S. T., 1983 г.
Наиболее ярким проявлением горячей точки поверхности Земли считают о. Гавайи, представляющий собой завершающее звено цепи Гавайских островов вулканического происхождения и их продолжения – Императорских подводных гор, в которых возраст вулканов увеличивается от 0 до 42 млн. лет в Гавайской цепи и от 43 до 70 млн. лет в Императорской цепи. Эти цепи островов и подводных поднятий с закономерно возрастающим возрастом образования однозначно трактуются как след движения Тихоокеанской плиты над Гавайской горячей точкой, существующей уже более 70 млн. лет. Прямолинейные цепи островов, гойотов, подводных поднятий, образующихся при движении плит над мантийной струёй, принято называть асейсмичными хребтами (рис. 5).
При значительной скорости движения плит последствия плюмов смазываются, не сопровождаясь образованием вулканических структур – горячих точек, как, например, на Южно-Американской плите.
А долгоживущие вулканы горячих точек Африканской плиты (30 млн. лет) указывают, что Африканский континент оставался неподвижным относительно подплитных плюмов Африки в течение последних 30 млн. лет (рис. 18). Благодаря этому, в плейт-тектонике абсолютные движения плит отсчитывают относительно неподвижной Африканской плиты.
Рис. 5. Формирование вулканической цепи над горячей точкой по Дж. Моргану, 1972. Цифрами указаны К-Ar датировки, подчеркнутыми – палеонтологический возраст базального осадка.
В отличие от горячих точек вывод о существовании плюмов ― результат интерпретации, т.к. прямое наблюдение недоступно.
По геофизическим данным, плюмы представляют собой узкие вертикальные сейсмические аномалии, проходящие насквозь мантию. Считается, что плюмы занимают стационарное положение в мантии. Температура в плюме должна быть значительно выше температуры в окружающей мантии.
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 процесс наполнения горячим материалом через ствол идет быстрее. При достижении головной части плюма поверхности Земли, она уплощается и распространяется в горизонтальном направлении.[14] До настоящего времени не существует законченной геодинамической модели мантийного плюма. Тем не менее, уже сейчас можно наметить те особые черты плюма, которые могут найти отражение на его сейсмическом изображении (Рис. 6).
Рис. 6. Схематическое изображение мантийного
плюма.
В головной части находится обширная «подушка» плюмового 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. 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.[14]
Рис 7. Модели мантийных плюмов.
Плюмы считаются причиной бурных вулканических процессов на поверхности Земли, которые формируют обширные изверженные провинции. На рис. 7 плюм А, поднимающийся от границы нижней и верхней мантии, образует подушку после достижения литосферы. Широкая подушка плюма В, поднимающегося с границы мантия-ядро, более холодная. Модель С показывает, что плюм задерживается на границе нижней и верхней мантии и дает начало меньшим плюмам.
Значительна роль плюмов в развитии литосферы и магматизма как внутриплитного, так и на дивергентных границах плит. Эта роль была, вероятно, особенно высока на ранних стадиях истории планеты. Существуют гипотезы, объясняющие формирование и распад суперконтинентов с позиций плюм-тектоники.
3.2 Основные вопросы теории
Вместе с тем возникает ряд проблем, пока не нашедших убедительного решения. К ним относятся:
- глубина заложения плюмов (иначе говоря, положение их корней в мантии);
- их локализация относительно границ литосферных плит и внутри последних;
- стационарность ― абсолютная или относительная;
- соотношение конвекции, управляющей кинематикой литосферных плит, с адвекцией, вызывающей подъем плюмов.
Рассмотрим эти вопросы.
1. Глубина заложения плюмов. В.Е. Хаин выделяет два уровня зарождения плюмов: в низах мантии, слое D'', и у границы верхней и нижней мантии. Первый ― источник суперплюмов, второй ― второстепенных. Ранее допускалось, что второй уровень располагается над границей 660 км, теперь высказывается мнение, что он может находиться под ней.
По Зоненшайну и Кузьмину (1993г.) мантийные плюмы могут зарождаться на трёх уровнях:
- на границе нижняя мантия – ядро (глубина 2700 – 2900 км);
- на границе верхней и нижней мантии (глубина 670 км);
- в граничном слое 700 – 900 км и в верхней мантии, при плавлении субдуцированной плиты (рис. 8).
Рис. 8. Двухслойная конвекция в мантии и поднимающаяся мантийная струя, пересекающая конвективные потоки по Л.П. Зоненшайну и Н.И. Кузьмину, 1993.
По Ш. Маруяма (1994 г.) грибовидные суперплюмы зарождаются на границе ядро-мантия, они разветвляются на несколько более мелких струй в верхней мантии, а те в свою очередь на ещё более мелкие под литосферной плитой. Форма плюмов в сечении от изометричной до линейной. При этом образуются колонны поднятия (мантийный апвеллинг) и колонны опускания (мантийный даунвеллинг). В связи с холодными колоннами опускания формируются огромные осадочные бассейны.
С только что рассмотренной проблемой связана еще одна: все ли фиксируемые на поверхности горячие точки ― производные самостоятельных плюмов? На примере Восточной Африки было сделано допущение, что крупные плюмы (иначе суперплюмы), достигая подошвы литосферы, могут расщепляться с накоплением расплава под участками утоненной рифтингом литосферы или даже непосредственно внедряться в рифтовые зоны. Такое расщепление может, очевидно, происходить на границе верхней и нижней мантии, которая должна служить полупроницаемым барьером как для субдуцируемых слэбов, так и для поднимающихся горячих струй.
2. Локализация плюмов. По расположению относительно литосферных плит большинство плюмов можно разделить на две группы:
- Плюмы первой группы находятся на пересечении оси спрединга с крупными разломами: Исландский и Азорский плюмы в Атлантике, вулканические острова Сен-Поль и Амстердам на Юго-Восточном Индоокеанском хребте и др. Поднятие Шатского и ряд аналогичных океанских плато возникли на древнем тройном сочленении осей спрединга.
- Плюмы второй группы приурочены к внутриплитным, внутриконтинентальным рифтовым системам, тяготея опять-таки к их тройным сочленениям (например, район Афара в Восточной Африке) или пересечению крупными зонами разломов.
Отсюда можно сделать вывод, что размещение горячих точек на поверхности контролируется ослабленными, проницаемыми зонами в коре и литосфере. Но корни этих плюмов ниже литосферы могут иметь и иное положение.
3. Стационарность плюмов. Краеугольным камнем гипотезы Вилсона-Моргана было представление о фиксированном положении корней плюмов в подлитосферной мантии и о том, что образование вулканических цепей, с закономерным увеличением возраста построек по мере удаления от современных центров извержений, обязано «прошиванию» движущихся над ними литосферных плит горячими мантийными струями. Это положение было использовано для определения абсолютных векторов относительного перемещения плит. Позднее стало допускаться отклонение верхушки плюма в направлении течения астеносферы.