Йеллоустоун явился первой континентальной Горячей точкой, для которой были организованы специальные полевые эксперименты. Томографическая реконструкция выявила уменьшение скорости P-волн под кальдерой относительно средних значений на глубине порядка 100 км. Аномалия скорости достигает 15% и размер аномалии приблизительно равен 50-ти км в диаметре. Исследования были расширены на юго-запад (вкрест Snake River Plain). Результаты показывают 2% уменьшение скорости на глубиной 350 км. Исследования не подтвердили наличия обширной области пониженной скорости под литосферой, которая могла бы интерпретироваться как обширный магматический очаг разогретого вещества. Но была выявлена неширокая, трубообразная зона пониженных скоростей, простирающаяся до глубины 300 км (возможно и глубже).
Рис. 1. Области повышенного рельефа (отмечены зеленым цветом) коррелитуют с областями развития местной сейсмичности (эпицентры местных землетрясений отмечены черными точками). Эти области поднятия образовались за счет подъема горячей точки.
2. Результаты исследования глубинной структуры по данным о телесейсмических волнах, зарегистрированных региональными сейсмостанциями. Волны пересекают изучаемый объект – место предполагаемого расположения горячей точки:
(а)Земная кора, не имеет повышенную мощность под Snake River Plain (SRP) (Граница Мохо, показаная жирной линией, располагается на глубине порядка 40 км), несмотря на интрузию высокоскоростных базальтовых силлов в средней части земной коры (на схеме обозначены синим цветом) и частичное расплавленние подкорового вещества (на схеме обозначено желтым цветом).
(b) повышенные скорости в мантии (синий цвет) выявлены под топографически приподнятыми областями. Пониженные скорости в мантии (красный цвет) наблюдаются под депрессией SRP. Низкоскоростная область ограничена изолинией уменньшения скорости Р-волн в 1%);
(с) сплит SKS волны, указывающие на анизотропию скоростей в мантии ориентацией оси повышенной скорости на юго-запад;
(d) оранжевым цветом выделены 410-км и 660-км переходные зоны в мантии. Вышеперечисленные особенности скоростной модели, позволяют сделать следующие выводы:
(1) мантия находится примерно в равновесном, плавучем состоянии под всем свеллом (сводом);
(2) верхние 200 км мантии частично расплавленны под SRP и обеднены базальтовой компонентой за пределами свода (swell);
(3) верхний несколько сотен км мантии были “срезаны” при премещении плиты в Северовосточном – Югозападном направлении;
(4) мантия под SRP аномально разогрета на уровне 660-км переходной зоны, немного охлаждена на уровен 410-км переходной зоны.
Рис. 2. (а) Трехмерная сейсмотомографическая модель мантийного плюма под Bowie (BW), Juan de Fuca / Хуан-де-Фука (JC), Yellowstone / Йеллоустоун (YW), построенная по данным P-волн и S-волн. Полощадь горизонтальных сечений 400 на 400, и включает мантийных плюм. Пропорции вертикальной шкалы были преувеличена таким образом, чтобы избежать наложения изображений в сечениях. (b) Те же сечения скоростной модели S-волны но представленные на горизонтальной плоскости.
С геологической точки зрения, Йеллоустон – типичная горячая точка Земли, которая имеет возраст 16 миллионов лет. С отчетливо выраженной прогрессивно-возрастной, линейной вулканической цепью, и четко выраженным, топографически, протяженным сводом юго-западного простирания[ Saltzer and Humphreys, 1997; Humphreys et al., 2000; Waite et al., 2006]. Она имеет высокий коэффициент (соотношение изотопов) 3He / 4He. Отсутствие глубокого, мантийного плюма под Йеллоустоунской горячей точкой на томографических моделях, построенных и по данным Р-волн (модель PRI-P05), и S-волн (модель PRI-S05) требует дальнейшего обсуждения и изучения. В верхней мантии скоротная аномалии значительно меньше по интенсивности, чем обширная область низких скоростей, которая простирается к югу от неё. Только модель PRI-S05 показывает аномалию 660-км переходной зоне, но глубже 1000 км в мантии низкоскоростной аномалии не обнаружено Тестирование разрешения томографической модели показывает, что мантиный плюм радиусом 200 км, в котором изменение скорости (контраст) 0,3%, должен быть видим при использование данной системы наблюдений. Но более мелкие и менне контрастные детали уже недоступны для наблюдения этой системой. Вполне вероятно, что это обстоятельство и является основной причиной различий между глобальными и региональными томографическими инверсиями, выпоненнми ранее (Saltzer and Humphreys [1997], Humphreys et al. [2000], Waite [2004], and Waite et al. [2006].). Кровля Йеллоустоунского плюма имеет радиус около 100 км и залегает на глубине 350 км. Неоднородность с подобными параметрами затруднительно изучать с помощью созданной системы наблюдений.Проведенные в 2006 году сейсмотомографические исследования (Waite et al. [2006]) Йеллоустонского региона Р-волнами и S-волнами дали согласованные между собой результаты. Исследования подтвердили наличие интенсивной аномалии пониженных скоростей в интервале глубин от 50 до 200 км, залегающей непосредственно под Йеллоустонской кальдерой и Snake River Plain на востоке.. Более слабая аномалия простирается примерно до глубины 400 км, отклоняясь при погужении на 300 км от вертикали в северо-западном направлении . Тело низко скоростной аномалии соседствует с телом высоко скоросной аномалии, что позволяет предположить о наличии нисходящий в глубь мантии ветви конвективной ячейки с относительно холодным и плотным веществом. Эти результаты интерпретируются следующим образом. Низкоскоростное тело – это мантийный плюм, то есть поднимающийся вверх от переходной зоны в мантии относительно разогретй материал. Плюм создает условия для образования конвекции в верхних 200-х км мантии, что, в свою очередь и объясняет долгоживущий вулканизм Йеллоустонской горячей точки.
Рис. 3. Сейсмотомографическая модель внутренней структуры Земли под Йеллоустонской горячей точкой. Пертурбации скорости P-волн (в % относительно однородной модели) представлены серией горизонтальных срезов мантии на различных глубинах. Исходный набор данные состоял из площадных годографов телесейсмических P, PKIKP и PKiKP волн от 115 землетрясений, зарегистрированных на 85 станциях. На срезах пертурбация скорости продолных волн представлена в % относительно стандартной скоростной модели. Области с относительным уменьшением скорости обозначены красным цветом, а увеличением – синим. Сечение изолиний: ± 0,5%, ± 1,0% и ± 1,5%. Отметим, что аномалия низких скоростей под Йеллоустоуном смещается на запад с увеличением глубины. Зона повышенных скоростней находится к востоку от Йеллоустона. На сечениях 30 км и 330 км показаны две линии (А) и (В) по которым на рис.13 приведены вертикальные срезы (профиля a-a и b-b).
Рис. 4. Двумерные вертикальные среза, линии которых показаны на рис. 3. Аномалия пониженной скорости прострается вглубь, по крайней мере, до 660 км вдоль профиля а-а, но не распространяется глубже 200 км под Йеллоустоуном вдоль профиля в-в. Йеллоустоун плато, помечено в верхней части обоих срезов (профилей) буквой «Y».
Источники информации:
Smith, B., M. Jordan, B. Steinberger, C. Puskas, J. Farrell, G. Waite, S. Husen, R.J. O’Connell and E. Klingele , (2009) Geodynamics of the Yellowstone hotspot and mantle plume: Seismic and GPS imaging, kinematics and mantle flow, J. Volcanol. Geoth. Res., 188, 26-56.