До середины 20-го века морское дно предполагалось не имеющим никакой топографии. В 40-х годах 20-го века были открыты подводные горы вулканического происхождения. Открытие подводных гор, срединно – океанических рифтовых зон, трансформных разломов, глубоководных впадин инмциировало исследования и поиск ключевых свидетельств в пользу тектоники плит, гипотезы горячих точек и плюмов, питающих эти точки, а также к созданию новых геодинамических моделей.
Изучение подводных гор проливает свет на различные глубинные процессы, в том числе на температурные и механические свойства океанической литосферы. Эти свойства могут быть определены по изгибам океанической коры, которые обусловлены ростом подводных гор на ее поверхности. Цепочки подводных гор также великолепные регистраторы абсолютных движений тектонических плит и предоставляют ключевые сведения взаимодействия о перемещающихся плит, движущихся плюмов, Земли в целом и мантийной конвекции. А так как рост подводных гор обусловлен частичным плавлением глубинных мантийных источников, то они предлагают уникальную возможность взглянуть на химическое строение и неоднородность глубинных областей Земли.
К концу первого десятилетия 21-го века обнаружено более 200 000 вулканических островов, атоллов, подводных гор, располагающихся на океаническом дне.
Подводные горы дают информацию о процессах, протекающих в литосфере и мантии Земли, а именно:
– о геотермальных и механических свойствах океанической литосферы;
– об абсолютных движениях тектонических плит и связи между движениями плит, плюмов, Земли в целом и мантийной конвекцией;
– частичном плавлении мантии во внутриплитных условиях;
– о химическом строение и неоднородности мантии.
В совокупности все это дает представление о внутреннем, комплексном и динамическом устройстве Земли, а так же позволяет ответить на многие вопросы геодинамики Земли и, в то числе:
– как подводные горы зарождаются от мантийных плюмов, небольших плюмлетов или расширения плит (plate extension);
– как подводные горы размещаются внутри тектонических плит;
Цепи подводных гор, ассоциируемые с активными и историческими вулканами. Эти цепочки интерпретируются как следы движения плит с увеличивающимся возрастом по отношению к стационарным, долго живущим мантийным горячим точкам (Рис. 1).
Рисунок № 1.Гавае – Императорский след горячей точки – пример классической модели мантийного плюма, объясняющей формирование внутриплитной подводной горы. На карте северо – западной части Тихого океана (D. Sandwell and W.M. Smith: Gravity Anomaly Map based on SatelliteAltimetry, Version 15.2) это типичный след в виде подводных гор подчеркивается глубоким, изогнутым рвом вдоль всей его длины и значительным срединно плитным поднятием, протягивающимся в сторону молодого юго – восточного окончания. Линейность этого следа в комбинации с крупным внутриплитным поднятием и с закономерным изменением возраста (по радиометрическим данным возраст увеличивается по направлению более старого северо-западного окончания, см. Рис 2.), представляют убедительные доазательства существования в мантии плюма, возможно зародившегося глубоко в мантии из термальной аномалии. В этой модели след из подводных гор формируется только после того, как головная часть плюма рассеится и узкий ствол плюма начнет взаимодействовать с литосферой. Так как наиболее древние Императорские подводные горы были субдуцированы в Алеутском желобе на севере, судьба головной части плюма и любые связи с вулканизмом большой магматических провинцией неопределенные.
Ридиометрическое измерение возраста показывает систематическую прогрессию в сторону увеличения возраста при удалении от активных вулканов (Рис. 2).
Рисунок № 2. Линейная Гавайская возрастная прогрессия. По горизонтали расстояние от активного вулкана Килауеа. По вертикали возраст [Clague and Dalrymple (1987), Duncan and Keller (2004), and Sharp and Clague (2006)]. Хотя строгое линейное строение следов подводных гор при более детальном рассмотрении не столь просто, данные K/Ar и 40Ar/39Ar определения возраста показывают систематическое (и более или менее) старение щитов вулканических островов и подводных гор в сторону северо-запада и через Гавае-Императорский излом.
Следы подводных гор (в основном линейные в пространстве и во времени) имеют совпадающую ориентацию с движением плиты, и это может быть использовано для восстановления древнего “абсолютного” движения тектонических плит. Абсолютные перемещения, в принципе, не зависят от “относительных” движений между плитами, и может превышать 10 см/г, как установлено сегодняшними GPS измерениями. Ориентация некоторых следов изменяется со временем. Очевидно, что записываются изменения в направлении движения плит по отношению к стационарным горячим точкам. В этих случаях модели абсолютных движений для конкретной плиты требуют учета многих параметров вращения (поля вращения плит и угловые скорости) для того, чтобы определить направления движения плит в течение различных временных интервалов. 120-градусный излом в ориентации Гавае-Императорской цепочке подводных гор, который сформировался между 50 и 44 млн лет назад – это классический пример подобных изменений в движении (Рис. 2).
Новые данные показывают, что предположение о стационарном положении мантийного плюма не справедливо для большинства цепей подводных гор. Согласно палеомагнитным дананным наиболее древняя часть Гавае-Императорской цепи сформировалась на палеошироте примерно на 150 севернее текущего положения Гавайской горячей точки. Что свидетельствует о том, мантийный плюм, может перемещаться на сантиметр в год, что имеет тот же порядок значений, что и движение плиты (Рис 3).
. Рисунок № 3. Движение Гавайской горячей точки проявляется в палеомагнитных данных и показывает примерно 150 смещение на юг, если сравнивать значения палеоширот с современной широтой Гавайской горячей точки, равной 190N. Линия регрессии проходит через палеошироты подводных гор Detroit, Suiko, Nintoku и Koko. Скорость движения, определенная по угловому коэффициенту этой линии примерно 43 ± 23 мм в год. Так как палеоширота для подводной горы Koko близка к 190N (равна современной широте Гавайской горячей точки, сама же Коко сегодня расположена примерно на 150 севернее, чем ее палеоширота 50 млн лет назад, то это свидетельствует о том, что Гавайская горячая точка перемещалась, по крайней мере, в период времени от 50 млн лет назад и до сегодняшнего времени.
Такие процессы, как наращивание плит (plate extension), раскол литосферы и небольшая конвекция в приповерхностных частях мантии могут играть важную роль в формировании некоторых первичных и вторичных следов горячих точек и искажать их хаотично и нелинейно. Поэтому, для того, чтобы использовать систему фиксированных мантийных плюмов для восстановления движения плит в прошлом, требуются сведения о движении самих мантийных плюмов, а также сведения о геохронологии подводных гор.
Усовершенствование 40Ar/39Ar геохронологии позволило более адресно подойти ко многом вопросам, связанным с горячими точками и внутриплитным вулканизмом. Улучшение методов спектроскопии в комбинации с применением геотермических данных привели к уточнению датировок подводных гор. Более точные датировки внутриплитного вулканизма позволили уточнить возраст формирования (с точностью до 10 млн лет) подводных гор и задать возрастную прогрессию вдоль цепочек подводных гор. Была получена более полная модель горячих точек.
Например, определение возраста и палеомагнитные исследования “Программы бурения океанов (Ocean Drilling Program -ODP Leg 197)” продемонстрировали, что Гавайская горячая точка сместилась на юг с ~350N до 200N в период между 80 и 49 млн лет назад (Рис. 2 и 4). Эти данные неплохо согласуются с данными моделирования плюма для Гавае-Императорского излома.
Пересмотр данных для Луисвилльской цепочки подводных гор показал, ранее предполагавшаяся линейной возрастная прогрессия, фактически нелинейна, с вариациями, учитывающими и перемещение горячей точки, и движение плиты. Что поставило вопрос о схожести движения Луисвилльской горячей точки с движением Гавайской горячей точки. Результаты последних моделирований мантийной конвекции дают основание предположить, что Луисвилль не движется на юг почти на столько же, как и Гаваи, так как “мантийный ветер” видимо “дует” преимущественно с запада на восток в юго – западном квадранте Тихого океана.
Другие следы горячих точек либо не имеют возрастных прогрессий, либо они сложные, имеют изломы типа Гавайского, возраст которых старше Гавайского излома на 10 – 20 млн лет, или имеют возрастные прогрессии, не совместимые с существующими моделями вращения плит. С другой стороны, новые исследования на Самоа, острове Пасхи и хребта Sala Y Gomez, подводных гор Emperor и Луисвилльского хребта показали, что у этих цепочек подводных гор имеются линейные возрастные прогрессии. Это представляет подтверждающие доказательства для системы типичных первичных горячих точек Тихого океана.
Физическое состояние тектонических плит,
несущих подводные горы.
За последние десятилетия получены дополнительные сведения о глубинной струкутуре подводных гор и океанических островов, а так же о подстилающей их литосфере. Сейсмические данные о преломленых волнах, полученные вдоль разрезов, секущих Гавайских хребет, Реюнион, подводную гору Great Meteor и, наиболее свежие данные по островам Капе Верде и Луисвилльскому хребту показали, что подводные горы и океанические острова представляют из себя построки на океанической коре мощностью порядка 8 км и шириной порядка 100 км. Фланги (а иногда и верхняя часть) подводных гор, обычно, включают в себя вулканические породы, которые препятствуют распространению упругих Р-волн (замедляют их распространение). Через ядра же этих структур некоторые типы сейсмических волн проходят значительно быстрее средних значений скорости. Например веерные сейсмические наблюдения вокруг Тенерифа (Tenerife) (Канарские острова) показали значительно более высокие скорости (7.3 км/сек) чем у молодых базальтовых лав (Рис. 4). Подобное увеличеник скорости предполагает наличие древних интрузивных и плутонических комплексов в ядрах этих вулканов. Данные сейсмических преломленных волн показывают, что кора, подстилающая такие вулканические сооружения, как Oahu (Hawaiian Ridge), Marquesas Islands, Rйunion, и Great Meteor Seamount имеет скоростную структуру и мощность типичную для нормальной океанической коры. Примечательно, что имеются незначительные латеральные вариации скорости, что свидетельствует о том, что магматический материал, зародившийся глубоко под литосферой, должен мигрировать вертикально сквозь океаническую кору с незначительными или даже без силлоподобных интрузий. Океаническая кора, сама по себе, часто подстилается высокоскоростным глубинным телом (> 7.2 км/сек). Эти глубинные кристаллические тела интерпретируются как материал, который распространяется латерально и подстилает кору. В настоящее время не много известно о вещественном составе этих образований (он нигде не опробован), их роли в динамике подводных гор, в образовании следов из подводных гор и их связи с крупными внутриплитными поднятиями.
Рисунок № 4. Пример данных по Тенерифу [Watts et al., 1997], иллюстрирующих типичные скорости (в км/сек) и плотности (в кг/м3) Атлантической океанической коры в районе Канарских островов. Осадки, заполняющие прогнутые рвы (окрашены в светло-зеленый цвет) характеризуются низкими скоростями и плотностями, в то время, как породы мантии (закрашены в фиолетовый цвет) распознаются по высоким сейсмическим скоростям и плотностям. Изогнутый слой мощностью Te = 25 км (закрашен темно-серым цветом) не требует дополнительных магматических наслоений. На картинке справа объясняется концепция изгиба литосферы за счет подводной горы (и вулканических осадочных пород, которые накапливаются в подводных рвах), а так же вычисления толщины упругой плиты Тe, которая позволяет оценить и упругие, и температурные характеристики изогнутой океанической коры.
Типичные скорости (в км/сек) и плотности (в кг/м3) Атлантической океанической коры в районе Канарских островов.
Изверженные базальты и интрузивные плутонические породы, слагающие подводные горы, представляют из себя значительные гравитационные нагрузки на поверхность океанической коры. При нагрузке, кора может изогнуться (флексура) и сформировать глубокие клиноформные рвы, заполенные вулканокластовыми породами (Рис. 1 и 4). Сравнение глубинной сейсмической структуры подводных гор с расчетами, основанными на упругой модели плит, например для Гаваев, показало, что под давлением вулкана океаническая кора прогибается вниз до 4-х км, а размер прогиба по латерали достигает нескольких сотен километров. Общая точка зрения – упругая толщина (the elastic thickness) (Рис. 4) зависит и от возраста нагрузки, и от возраста плиты на момент образования горы на ней. Мощность литосферы увеличивается с возрастом, по мере ее удаления от срединно – океанического хребта таким образом, что подводные горы, расположенные рядом с рифтовой зоной изгибают молодую, более тонкую упругую литосферу более значительно, чем того же самого размера вулканы, но расположенные в удалении от рифта ( так как они распологаются на более древней литосфере, имеющей большую упругую мощность). Изучение океанических флексур показало, что литосфера относительно жестче в начале вулканической деятельности и становится слабее со старением подводных гор.
Имеются два процесса, действующие один против другого, это температурная контракция (сжатие), которое усиливает литосферу в процессе остывания, и ослабление литосферы за счет релаксации стрессов при извержении вулкана. Общий эффект – океаническая литосфера усиливается (становится жестче) с возрастом. Эти пространственные и временные изменения в жескости имеют важное приложение для реологии океанической литосферы, и для того, как литосфера откликается на другие воздействия, такие, как вертикальные сжатия, связанные с вертикальным мантийным потоком (например у горячих точек).
Подводные горы и океанические острова, особенно стратификация их фланговых рвов, предоставляют уникальную возможность изучить процессы, в которые вовлечены цепочки подводных гор.
Базируясь на данных о гравитационных аномалиях, полученных по спутниковой альтиметрии, можно построить карту, показывающую распределение типичных подводных гор, расположенных в пределах рифта и за пределами рифта (Рис 5).
Рисунок № 5.Карта распределения подводных гор, располагающихся в пределах и за пределами рифтов, базирующаяся на гравитационном и флексурном моделировании [Watts, 2001; Watts et al.,2006]. Упругая толщина Тe (the elastic thickness) – параметр, чувствительный к тому, где формируется подводная гора – рядом или в удалении от срединно-океанического рифта, так как этот параметр характеризует мощность и возраст океанической литосферы. Используя данные спутниковой гравиметрии были получены оценке Тe в 9758 точках Тихого, Индийского и Атлантческого океанов. Эти оценки могут быть соотнесены с тектоническими условиями, в которых подводные горы, возможно, формировались (при значениях Тe < 12 км – в пределах рифтовой зоны, на молодой океанической коре; Тe > 20 км – в удалении от рифтовой зоны, на более древней и мощной океанической коре, во втутриплитных тектонических условиях).
Многие подводные горы наложены на обширные топографические поднятия, поэтому эластичная мощность (которая является проводником для температуры) согласуется с пониманием происхождения этих образований. (Рис 1). Аномально низкие эластические мощности в этих топографических поднятиях свидетельтствуют об утончении литосферы и разогреве, обусловленных мантийным плюмом, тогда, как нормальная эластическая мощность предпочтительнее для моделей, в которых поднятия – это динамические особенности, обязанные своим происхождением вертикальным мантийным потокам. Интересно, что Бермуды и Капа Верде демонстрируют нормальные Те для их возраста. Это наблюдение может означать увеличение динамической составляющей (т. е. вертикального движения плюма) в формировании этих внутриплитных топографических поднятий.
Другое явление, которое может помочь объяснить термальную структуру поднятий – это поверхностный тепловой поток, измеряемый вокруг подводных гор. Высокий тепловой поток может служить индикатором утонения литосферы и разогрева, связанных с сублитосферными температурными аномалиями мантийных плюмрв. Например, поднятия Бермуд, Капе Верде и Гаваев связаны с малоамплитудным пиком теплового потока, еще большие локальные вариации наблюдаются при проведении более детальных исследований, что, возможно означает, что тепловой поток контролируется потоками флюидов. В последнем случае, флюиды (если они существуют), ассоциируемые с крупным рельефом подводных вулканических построек и их фланговых рвов, могут помешать измерению базального (т. е. изначального) теплового потока, генерируемого плюмом.
Источники:
Kopper A. P., Watts A. B. Intraplate Seamounts as a Window into Deep Earth Processes. Oceanography Vol.23, No.1 March 2010