Как устроена наша Земля?

  Все выпуски  

Как устроена наша Земля? Плюмы в нижней мантии Земли.


Предполагаемая (теоретическая) форма мантийного плюма.

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 наполнение горячим материалом через ствол более быстрое. При достижении головной части плюма поверхности, она уплощается и распространяется в горизонтальном направлении. До настоящего времени не имеется законченной геодинамической модели мантийного плюма. Но суммирую накопленные научные данные наметим некоторые особые черты плюма, которые могут найти отражение на сейсмическом изображении плюма (Рис. 1). Схематический рисунок мантийного плюма

Рисунок 1. Схематический рисунок мантийного плюма [Nataf, 2000].

В головной части плюма находится обширная, грибовидная подушка полюмового 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 [Davies 1988, Sleep 1990]. 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 [Schilling 1991]. Если пересчитать значение температурной аномалии, равной 250К, в вариации скорости Р-волн и S-волн, используя температурную производную [Nataf & Ricard 1996], то получим значения -2.25% и -2.75%, соответственно. Плавление имеет место до глубин примерно 120 км [Watson & McKenzie 1991]. Радиальное распределение температуры в плюме близко к Гауссову. Плюм пересекает две главные сейсмические границы, расположенные на глубине 410 км и 660 км. Эти границы обусловлены фазовыми переходами мантийных минералов. Условия (наклон, градиент Клапейрона) должны быть такими, что 410-км граница должна вмяться в плюм (опуститься вниз), а 660-км граница приподняться. В результате чего будет наблюдаться утончение переходной зоны (в данном случае слоя, располагающегося между двумя этими границами). Разлив вещества должен произойти под 660-км границей (линия, обозначенная точками на рис. 1). В нижней мантии вязкость примерно в 30 раз выше, чем в верхней мантии, поэтому диаметр плюма должен быть больше, возможно 500 км и более [Albers & Christensen 1996]. На схеме (рис. 1) показано, что плюм коренится в термальном пограничном слое выше границы ядро – мантия. При пересечении этой границы температура возрастает более чем на 1000К [Boehler 1993]. Температура плюма превышает более чем на 600К температуру нижней мантии [Albers & Christensen 1996, Farnetani 1997].

Реальная форма плюма по томографическим данным.

Сопоставление глобальных, томографических моделей, построенных по данным P-волн (PRI-P04, PRI-P05 ) и S-волн (PRI-S05) показало их хорошую согласованность. На моделях показано устройство мантиии Земли в целом, особенно Нижней мантии. Хорошее согласие между моделями позволяет более надёжно интерпретировать некоторые из вторичных признаков плюмов в Нижней мантии Земли. Ни один из плюмов, выявленных на глобальных томографических моделях не имеет хрестоматийный вид типа ''голова-хвост ("head-tail")'', как предполагалось ранее [Olson and Singer, 1985; Campbell and Griffiths, 1990]. Трехмерный вид мантийных плюмов под горячей точкой Галапагосские острова (GL) по данным томографии на P-волнах (слева) и S-волнах (справа).

Рисунок 2. Трехмерный вид мантийных плюмов под горячей точкой Галапагосские острова (GL) по данным томографии на P-волнах (слева) и S-волнах (справа). a) Площадь горизонтальных сечений 40 на 40. Положение сечений выбрано так, чтобы в их центральной части располагались изучаемые плюмы. Пропорции вертикальной шкалы были преувеличена таким образом, чтобы избежать наложения изображений в сечениях. b) Горизонтальные сечения трехмерных мантийных плюмов по данным томографии на S-волнах под горячей точкой Галапагосские острова (GL).

Если каплевидная аномалия, отображаемая под горячей точкой Чатем (Chatham) - Галапагосские острова и является "головой" плюма, то, во-первых, его форма далека от грибовидной формы головной части теоретического плюма, и, во-вторых, под головной частью плюма на томографических моделях не обнаруживается хвост. Coral Sea Solomon Islands Tomo Vert

Рисунок 3. Трехмерный вид мантийных плюмов под горячей точками Каролинские острова (CR), Коралловое море (CS), Восточные Соломоны (SL) по данным томографии на P-волнах (слева) и S-волнах (справа). Площадь горизонтальных сечений 40 на 40. Положение сечений выбрано так, чтобы в их центральной части располагались изучаемые плюмы. Пропорции вертикальной шкалы были преувеличена таким образом, чтобы избежать наложения изображений в сечениях.

Отсутствие четко выраженных головных частей плюмов особенно заметно для зарождающихся плюмов, не достигших Земной поверхности. Подобные плюмы наблюдаются под Коралловым морем, к востоку от Соломоновых островов и в районе Южной Явы (Java). Cocos, Keeling, South Java

Рисунок 4. Трехмерный вид мантийных плюмов под горячими точками Кокосовые (Килинг) (CK), Юг Островов Ява (SJ) по данным томографии на P-волнах (слева) и S-волнах (справа). Площадь горизонтальных сечений 40 на 40. Положение сечений выбрано так, чтобы в их центральной части располагались изучаемые плюмы. Пропорции вертикальной шкалы были преувеличена таким образом, чтобы избежать наложения изображений в сечениях.

Несмотря на слабое разрешения, достигнутое при визуализации этих плюмов, считается маловероятным, что это все артефакты, так как они проявляются одновременно и на моделиPRI-P05,и на модели PRI-S05.
О возможности визаулизации головной части плюма в нижней мантии.
Учитывая минимально возможную для обнаружения ширину хвостовых частей плюмов - 300 км, а также величину отношения размеров головных частей плюмов к хвостовым частям (это отношение определяется в лабораторных экспериментах и при численном моделировании), можно утверждать, что диаметр головной части плюма, если она у плюма существует, будетдостигать 1000 км или даже более.

Исходя из предполагаемого размера головной части плюма (>1000 км), если она имеется, становится очевидны, что она должна быть выявлена с помощью современной томографии.

Если ''хвосты'' плюмов, диаметром порядка 300 км выявляются, точности современных томографических методов вполне достаточно для уверенного выделения "головы" плюма. Поэтому, указанные обстоятельства позволяют утверждать, что если на томографической модели головная часть у плюма не обнаружена, то она у плюма отсутствует. На современных томограммах нижней мантии Земли не обнаружено четких головных частей плюмов. Для обсуждения наличия головных частей плюмов в верхней мантии не достаточно лишь телесейсмических данных. Необходимо привлечь результаты исследования поверхностных волн и местных, локальных сейсмических групп.
Головной части у плюма может и не быть!
Дальнейшие исследования показали, что головная часть зарождающегося плюма не является его обязательным атрибутом. Если наблюдается отсутствие головной части у зарождающегося плюма, то это обстоятельство может иметь важные геодинамические следствия. Лабораторные и численные эксперименты показали, что плюмы имеющие значительных размеров головную часть с относительно тонким хвостом (шаровые - balloon или пещерные - cavity плюмы), должны быть гораздо менее вязкими, чем вмещающая их среда [Whitehead and Luther, 1975; Olson and Singer, 1985; Griffiths, 1986; Griffiths and Campbell, 1990; Kellogg and King, 1997].

Диапироподобные плюмы.

Диапироподобные плюмы возможны, при приблизительно равной вязкости плюма и окружающей среды [Olson and Singer, 1985; Kellogg and King, 1997], а то и при значительно большей вязкости плюма по сравнению с окружающей средой [Olson and Singer, 1985; Davaille et al., 2003; Korenaga, 2005]. Внедрение диапироподобного плюма возможно, если вязкость среды, куда внедряется плюм (эту среду в лабораторных исследованиях представляют как несжимаемую жидкость) постоянная или слабо зависящая от температуры [Kellogg and King, 1997]. В процессе своего роста, диапировые плюмы могут создать грибовидную шапку на своей вершине, размер которой относительно невелик по сравнению с размером хвостовой части [Griffiths, 1986; Kellogg and King, 1997]. Альтернативное объяснение небольшого размера головной часть диапировых плюмов заключается в том, что эти плюмы формируют головную часть на гораздо более поздней стадии своей жизни, а не непосредственно вблизи источника своего зарождения - пограничного слоя между нижней мантией и ядром Земли [Olson and Singer, 1985; Davaille et al., 2003].

Головная и хвостова части плюма.

Голова плюма, по современным представления, обеспечивает формирование базальтовых покровов (но существуют и другие, альтернативные объяснения формирования базальтовых формаций [King and Anderson, 1995]). Хвосты же плюмов, по современным представлениям, обеспечивают порождение характерных, линейных цепочек вулканов, связанных с горячий точкой. В 2006 году была сделана попытка объяснить возникновение базальтовых покровов без привлечения головных частей плюмов [Nolet et al. 2006b], а с привлечением для объяснения лишь увеличения скорости роста плюма на начальной стадии его жизни. Зарождающийся плюм являясь химически более плавучим, давит и проникает в верхние, менее плотные слои литосферы, являясь при этом источником более богатого железом магматического вещества. Наблюдения показывают, что при наличии повышенной вязкости у плюма не развивается головная часть грибовидной формы

Широкие плюмы и перемещение тепла и вещества в мантии.

Широкие, полностью лишенные головной части плюмы наблюдались в процессе численного моделирования, если при расчётах учитывать давление, зависящее от расширения [Thomson and Tackley, 1998], или изменчивость композиционной плавучести [Farnetani and Samuel, 2005]. Большие радиусы мантийных плюмов имеют важное значение для геодинамики Земли. Чем больше радиус плюма, тем более значительна его роль в массообмене между верхней и нижней мантией. Даже небольшие скорости восходящего потока таких плюмов приводит к существенному потоку адвективного тепла. Фактически, для того, чтобы продуцировать реальный массо- и теплоперенос, рост плюма должен быть замедлен либо за счёт повышенной вязкости, либо за счет существующей химической аномалии, обусловленной содержанием тяжелого элемента, такого как железо, либо за счет совместного влияния обеих факторов [Nolet et al., 2006a].

Источники.

- Campbell, I. H., and R. W. Griffiths (1990), Implications of mantle plumes structure for the evolution of flood basalts, Earth Planet. Sci. Lett., 99, 79–93.
- Davaille, A., M. L. Bars, and C. Carbonne (2003), Thermal convection in a heterogeneous mantle, C. R. Geosci., 355, 141–156.
- Davies G.F. (1988) Ocean bathymetry and mantle convection: 1. large-scale flow and hotspots, J. Geophys. Res. v. 93, p. 10467-10480.
- Farnetani, C. G., and H. Samuel (2005), Beyond the thermal plume paradigm, Geophys. Res. Lett., 32, L07311, doi:10.1029/2005GL022360. - Griffiths, R. W. (1986), Thermals in extremely viscous fluids, including the effects of temperature-dependent viscosity, J. Fluid Mech., 186, 115–138. - Griffiths, R. W., and I. H. Campbell (1990), Stirring and structure in mantle starting plumes, Earth Planet. Sci. Lett., 99, 66–78. - Kellogg, L. H., and S. D. King (1997), The effect of temperature dependent viscosity on the structure of new plumes in the mantle: Results of a finite element model in a spherical, axisymmetric shell, Earth Planet. Sci. Lett., 148, 13–26.
- King, S. D., and D. L. Anderson (1995), An alternative mechanism of flood basalt formation, Earth Planet. Sci. Lett., 136, 269–279.
- Korenaga, J. (2005), First mantle plumes and the nature of the core-mantle boundary region, Earth Planet. Sci. Lett., 232, 29–37.
- Montelli, R., G. Nolet, F. A. Dahlen, and G. Masters (2006), A catalogue of deep mantle plumes: New results from finite-frequency tomography, Geochem. Geophys. Geosyst., 7, Q11007, doi:10.1029/2006GC001248.
- Nataf H.-C.Seismic imaging of mantle plumes.Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2000. v. 28, p. 391–417
- Nataf, H.-C., and Y. Ricard, (1996) 3SMAC: an a priori tomographic model of the upper mantle based on geophysical modeling, Phys. Earth Planet. Inter., 95, 101 – 122, 1996.
- Nolet, G., R. Allen, and D. Zhao (2006a), Mantle plume tomography, Chemical Geology 241 (2007) 248–263.
- Nolet, G., S.-I. Karato, and R. Montelli (2006b), Plume fluxes from seismic tomography, Earth Planet. Sci. Lett., 248, 685–699.
- Olson, P., and H. Singer (1985), Creeping plumes, J. Fluid Mech., 158, 511–531.
- Schilling J.G. 1991. Fluxes and excess temperatures of mantle plumes inferred from their interaction with migrating mid-ocean ridges. Nature 352:397–403
- Sleep N.H. 1990. Hotspots and mantle plumes:some phenomenology. J. Geophys. Res. 95:6715–36
- Thomson, P. F., and P. J. Tackley (1998), Generation of megaplumes from the core-mantle boundary in a compressible mantle with temperature-dependent viscosity, Geophys. Res. Lett., 25, 1999–2002.
- Watson S, McKenzie D.P. 1991. Melt generation by plumes: a study of Hawaiian mechanism. J. Petrol. 32:501–37
- Whitehead, J. A., and D. S. Luther (1975), Dynamics of laboratory diapir and plume models, J. Geophys. Res., 80, 705–717.

В избранное