горячие точки

Сейсмологические исследования горячих точек Земли.

Сейсмология имеет возможности для определения глубины неоднородных зон под вулканическими центрами и для проверки различных гипотез о происхождении горячих точек. В течении тридцати лет сейсмологи приводили свидетельства о всевозможных аномалиях в нижней мантии и в пограничной зоне ядро – мантия [Kanasewich E. R., Ellis R. M., Chapman C. H., Gutowski P. R. 1972. Teleseismic array evidence for inhomogeneities in the lower mantle and the origin of the Hawaiian islands. Nature 239, p. 99-100.; Kanasewich E. R., Ellis R. M., Chapman C. H., Gutowski P. R. 1973. Seismic array evidence of a core boundary source for the Hawaiian linear volcanic chain. J. Geophys. Res. v. 78, p. 1361–1371.]. И низкоскоростные, и высокоскоростные регионы были использованы в поддержку гипотезы плюмов. Однако корреляции между низкоскоростными регионами верхней мантии и горячими точками не было (Ritsema J., and Allen R. M., 2003). Например, the Galapagos, Reunion, the Bouvet triple junction, Cape Verde, Tristan da Cunha и Tahiti располагаются над высокоскоростными или нормальными (т. е. нулевые отклонения от среднего) областями верхней (100-300 км) мантии. Низкоскоростные области под Гаваями, островом Пасха, Люисвиллом (Hawaii, Easter Island, Samoa, and Louisville) не распространяются через верхнюю мантию. Courtillot et al. (2003) используют область низких скоростей поперечных волн на глубине 500 км как критерий глубокого мантийного плюма. Примерно 12 подобных низкоскоросных зон на глубине 500 км не ассоциируют с горячими точками и только примерно 16 ассоциируют с горячими точками. И Исландия, и Афар расположены на относительно новых границах плит. Монтелли и др. (2004) полагают, что “вертикальный утечки” (“vertical leakage,”), или сейсмические размытия (seismic smearing), возможно, привели ранее к предложению о том, что под Исландией находится глубокий плюм. Сейсмические данные, таким образом, свидетельствуют о том, что верхняя мантия является источником обеих горячих точек.
Kanasewich et al. (1972, 1973, 1975) [Kanasewich E. R., Gutowski P. R. 1975. Detailed seismic analysis of a lateral mantle inhomogeneity. Earth Planet. Sci. Lett. v. 25, p. 379–384] описали высокоскоростные аномалии в наиболее нижней части мантии, которые расположены несколькими градусами северо-восточнее Гаваев. Эту высокоскоростную аномалию они приписали к основанию Гавайского плюма. В последующих работах [Nataf H.-C. (2000) Seismic imaging of mantle plumes. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2000. v. 28, p. 391–417.] определены свойства основания “Гавайского плюма” к северозападу и юговостоку от Гаваев. Однако в работе [Wright C., 1975, Comment on ‘Seismic array evidence of a core boundary source for the Hawaiian linear volcanic chain by E.R. Kanasewich et al’.: Journal of Geophysical Research, v. 80, p. 1915–1919.] приводятся данные о том, что высокие скорости не согласуются с другими наблюдениями в том же регионе. В той же работе делается вывод о том, что структура литосферы под Канадой объясняет эту высокоскоростную аномалию.
В работе [Best, W.J., Johnson, L.R., and McEvilly, T.V., 1974, ScS and the mantle beneath Hawaii, Eos (Transactions, American Geophysical Union), v. 55, p. 1147.] показано, что сейсмические скорости под Гаваями, от поверхности и до ядра не аномальные. Это исключает большой горячий или частично расплавленный регион под ним, типа горячей точки. Скорость поперечных волн в верхней и средней мантии под Гаваями выше, чем среднее значение этого параметра для юго-западной части Тихого океана[Katzman, R., L. Zhao, and T. H. Jordan (1998). High-resolution, two-dimensional vertical tomography of the central Pacific mantle using ScS reverberations and frequency-dependent travel times, J. Geophys.Res. v.103, 17,933–17,971], пропускная способность (propagation efficiency) так же выше [Sipkin, S.A., and Jordan, T.H., 1979, Frequency dependence of QScS: Bulletin of the Seismological Society of America, v. 69, p. 1055–1079]. Сейсмология на Р-волнах так же не обнаружила низкоскоростную область в нижней мантии под Гаваями. Осредненные свойства низкочастотных сейсмических волн, таких как многократные ScS волны, еще более укрепили эти результаты, даже если аномалия не вертикальная.
С недавнего времени стало возможным определять плотность так же хорошо, как скорость по сейсмическим данным и отделять эффект температуры от состава [Ishii, M., and Tromp, J., 2004, Constraining large-scale mantle heterogeneity using mantle and inner-core sensitive modes: Physics of Earth and Planetary Interiors, v. 146, p. 113–124; Trampert, J., F. Deschamps, J. Resovsky, and D. Yuen (2004), Probabilistic tomography maps chemical heterogeneities throughout the lower mantle, Science, v. 306(5697), 853–856, doi:10.1126/science.1101996]. В нижней мантии области с низкими скоростями поперечных волн не соответствуют низким плотностям, низким объемным модулям(low bulk modulus) или высоким температурам. Вариации содержания железа и минерального состава так же важны, как и изменения температуры. Субдуцированные плиты могут иметь низкую точку плавления и очень высокие скорости прохождения сейсмических волн через них, если они содержат СО2. Основополагающее предположение во многих томографических интерпретациях – низкие скорости поперечных волн являются свидетельством для высоких температур и низких плотностей, но это не надежное предположение. Сейсмические исследования [Ishii and Tromp (2004); Trampert et al. (2004)] показали, что нет корреляционной связи между свойствами верхней, средней и нижней мантией, и что нет свидетельств как проникновения плит на большую глубину, так и непрерывного плюмоподобного подъема низкоскоростных масс. Глубинные низкоскоростные зоны под некоторыми рифтами и горячими точками могут быть представлены СО2 – содержащими плитами.

Источник:
Anderson, D.L. and Schramm, K.A., 2005, Global Hotspot Maps, in Plates, Plumes & Paradigms, Foulger, G.R., Natland, J.H., Presnall, D.C, and Anderson, D.L., eds., Boulder, CO, Geological Society of America, Special Paper 388, pp. 19-29.