ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 427, № 5, с. 654-658
ГЕОЛОГИЯ
УДК 550.42
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ "ГОРЯЧИХ ТОЧЕК" МАНТИИ СОВРЕМЕННОЙ ЗЕМЛИ
© 2009 г. Академик В. И. Коваленко, член-корреспондент РАН В. В. Ярмолюк,
академик О. А. Богатиков
Поступило 14.04.2009 г.
"Горячие точки" мантии современной Земли впервые выделены П. Морганом и Дж. Уилсоном как проекции на современную земную поверхность струй глубинного материала, поднимающегося под движущимися литосферными плитами [1, 2]. С тех пор изучение связанного с ними внут-риплитного океанического и континентального магматизма и геодинамики настолько продвинуло развитие этой гипотезы, что привело, с одной стороны, к построению моделей их глубинного строения [3], а с другой - к фактическому отрицанию их глубинной природы [4]. Наиболее выдающимся достижением современной геофизики и геологии является построение видимых изображений мантийных плюмов на основе глобальной и локальной сейсмической томографии. Современный обзор таких работ представлен в [5]. Настоящее сообщение посвящено обсуждению плохо изученной пока задачи - оценке закономерностей пространственного распределения "горячих точек" Земли и связи их с современными и прошлыми геодинамическими процессами. Количество "горячих точек" на современной поверхности Земли колеблется у разных авторов. Для своего анализа мы воспользуемся тем набором современных "горячих точек", глубинное строение которых достаточно хорошо изучено методами сейсмической томографии [3]. Эти "горячие точки" показаны на рис. 1.
Среди них обычно выделяют локальные внутриплатные проявления размерами от сотен до первых тысяч километров в поперечнике (собственно "горячие точки") и огромные суперплюмы, имеющие поперечник вплоть до десятков тысяч километров. К последним относят [6] Южно-Тихоокеанский и Африканский суперплюмы, обычно объединяющие собой несколько локальных горячих точек. На рис. 1 под номерами 1-15 показаны
наиболее известные горячие точки этих су-перплюмов.
Наряду с этой возможна и иная группировка горячих точек, связанная с их размещением относительно границ литосферных плит. Выделяются следующие группы (рис. 1): 1) приуроченные к конвергентным границам плит (зоны субдукции и коллизии), 2) возникшие в связи с формированием дивергентных границ и определивших заложение и развитие срединно-океанических хребтов (СОХ), 3) расположенные вне зон формирования литосферных границ. К первой группе могут быть отнесены горячие точки, сопряженные с западной границей Северной и Южной Америки, с восточной окраиной Азии и Австралии (рис. 1, № 16-24). К этой группе близка горячая точка Эйфель в Западной Европе, поскольку она близка к субдукционной зоне Средиземноморья (Тэтиса), а также горячие точки восточной границы Тихого океана (рис. 1, № 41-45), часть которых занимает двойственную позицию, позволяющую рассматривать их как в связи с конвергентными границами, так и в связи со спрединговыми центрами.
К второй группе относятся горячие точки Атлантического океана, определившие границу раскола между континентами восточного и западного полушарий (рис. 1, № 25-36). Современное положение горячих точек этой группы не всегда совпадает с осевой зоной срединного хребта, но во время позднепалеозойской Пангеи эти горячие точки находились в областях раскола между Америкой, Африкой, Антарктидой и Австралией, участвуя в их разделении при образовании Атлантического и Индийского океанов (рис. 2).
Третью группу составляют горячие точки внутренних участков литосферных плит, тяготеющие к центральным участкам проекции су-перплюмов на земную поверхность. Таким образом, практически все подтвержденные сейсмической томографией горячие точки находят свое место в данной простейшей классификации.
Однако для нас важно понять геодинамический и физический смысл принадлежности тех или иных горячих точек к главным тектониче-
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской Академии наук, Москва
Рис. 1. Схема распределения горячих точек в системе литосферных плит Земли. 1-3 - горячие точки: 1 - внутренних участков литосферных плит, связанные с суперплюмами, 2 - контролирующие позицию срединно-океанических хребтов, 3 - тяготеющие к конвергентным границам плит; 4,5 - границы литосферных плит: 4 - дивергентные (СОХ), 5 -конвергентные; 6 - проекции горячих полей мантии (суперплюмов). Цифры на схеме: 1-7 - горячие точки Южно-Тихоокеанского суперплюма: 1 - Гавайская, 2 - Каролинская, 3 - Маркизская, 4 - Самоа, 5 - Таити, 6 - Питкаирн, 7 -Макдональд; 8-15 - горячие точки Африканского суперплюма: 8 - Хоггар, 9 - Тибести, 10 - Дарфур, 11 - Афар, 12 -Восточно-Африканская, 13 - Виктория, 14 - Коморы, 15 - Реюньон; 16-24 - горячие точки конвергентных границ плит: 16 - Гллоустоун, 17 - Ратон, 18 - Вудалянчи, 19 - Чангбайши, 20 - Датонг, 21 - Тенгчонг, 22 - Хайнань, 23 -Лорд Хоуэ, 24 - Восточно-Австралийская; 25-45 - горячие точки СОХ: 25 - Ян Майен, 26 - Исландия, 27 - Азоры, 28 - Новая Англия, 29 - Фернандо, 30 - Тринидад, 31 - Вознесения, 32 - Святая Глена, 33 - Тристан, 34 - Гоф, 35 - Метеор, 36 - Буве, 37 - Марион, 38 - Крозе, 39 - Амстердам, 40 - Кергелен, 41 - Бови, 42 - Кобб, 43 - Баджа, 44 - Галапагосы, 45 - о. Пасхи.
ским структурам Земли, поскольку горячие точки и упомянутые структуры - разноглубинные образования. Для этого придется упомянуть некоторые, возможно, гипотетические объяснения геодинамических процессов в перечисленных выше тектонических структурах. Причины образования мантийных плюмов мы рассмотрим в рамках двух крайних групп моделей, различающихся механизмами инициации восходящих мантийных струй. Одна из них предполагает ведущую роль субдукционных процессов, а точнее механизма опускания слэбов в глубинную мантию и выдавливания ими горячей менее плотной мантии в виде плюмов, и, таким образом, может быть связана с тектоникой литосферных плит. Другая предполагает доминирование процессов, происходящих на границе ядра и мантии и обеспечивающих существование восходящих потоков горячей мантии как будто бы вне зависимости от субдукции.
Модель су б д у кц и о н н о й инициации горячих точек.Прежде всего, обратим внимание на горячие точки, сопряженные с кон-
вергентными границами плит. Главным процессом на таких границах, как известно, является субдукция холодной литосферы в переходную мантию, а затем даже на дно мантии, на границу ее с ядром [6]. Несмотря на дискуссионность причин такого опускания, сам факт его подтверждается сейсмической томографией. При значительном объеме субдуцированных холодных литосферных плит с образованием, по образному выражению С. Маруямы, "кладбища" слэбов происходит охлаждение переходной, а затем и всей мантии. Погружение литосферы в глубь мантии порождает общемантийные конвективные процессы, которые не только восполняют расход вещества в области поднимающихся суперплюмов и плюмов под сре-динно-океаническими хребтами, но и приводят к образованию локальных конвективных ячеек вблизи конвергентных границ. Подобные локальные ячеи возникают вследствие нестационарности субдукционных ветвей глобальной конвективной петли и, в частности, наличия в их строении стагнированных и дискретно погружа-
Рис. 2. Схема размещения горячих точек мантии в структуре Пангеи. Реконструкция Пангеи на 190 млн. лет назад по [15]. Позиция горячих точек соответствует их современному размещению на земной поверхности. Горячие точки Атлантического СОХ занимают позицию вдоль шва между Африкой и обеими Америками.
(а)
(б)
-1%
0%
+1%
Рис. 3. Глубинное строение мантии (а) в зонах конвергентных границ западной части Тихого океана по данным [7] и модель формирования конвективных потоков на этих границах (б).
ющихся фрагментов слэбов [7] (рис. 3). Этот простейший физический механизм удовлетворительно объясняет причину приуроченности горячих точек субдукционной группы к зонам конвергентных границ литосферных плит [8].
Приуроченность второй группы горячих точек к области СОХ также может быть связана с результатами глобальных субдукционных процессов. Здесь следует помнить, что современные СОХ возникали при распаде суперконтинента Пангеи. Например, Атлантика возникла при разделении Америки, Евразии, Африки, как считается, под воздействием более глубинных причин, а именно мантийных плюмов, поднявшихся с границы ядра и мантии, а не в связи со спредингом,
являвшимся вторичным и более поверхностным процессом. Перечисленные выше атлантические горячие точки отвечают за открытие Атлантического океана. Благодаря возникновению атлантических плюмов в северной части суперконтинента открылась Атлантика и на ее продолжении к северу - Евразийский бассейн. Соответственно, разделение Восточной Гондваны с отделением Африки, Антарктиды и Австралии связано с активностью горячих точек в Индийском океане и на западной границе его с Южной Атлантикой (рис. 2).
Если исходной позицией горячих точек второй группы был суперконтинент Пангея, то следует предполагать, что мантия под таким суперконтинентом должна быть охлажденной длительной
субдукцией литосферных плит. Иначе невозможно представить сам механизм образования суперконтинентов. С момента распада Гондваны Северная Пангея оставалась практически суперконтинентом, но с интервенцией атлантических плюмов в ее арктическую часть [8, 12]. Благодаря продвижению плюмов в Арктику, видимо, образовался Евразийский бассейн Северного Ледовитого океана. Однако до настоящего момента активность арктических плюмов была кратковременной и "задавливалась" процессами субдукции, протекавшими практически вокруг всей Северной Пангеи. Следовательно, и для второй группы горячих точек может действовать тот же механизм выдавливания горячей мантии опускающимися более холодными слэбами и в соответствии с балансом масс возникновения горячих и поднимающихся в охлажденной мантии мантийных плюмов.
В этой трактовке образование суперплюмов навряд ли отличается от предложенного механизма образования обычных плюмов. Их специфика - в огромных размерах и большей длительности существования. Например, судя по имеющимс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.