Вулканізм і гарячі точки: мантійні плюми та ланцюг Гаваї-Імператор
Більшість вулканів Землі акуратно вишикувані вздовж меж плит — Тихоокеанське вогняне кільце над зонами субдукції, серединно-океанічні хребти, де плити розходяться. Гаваї порушують це правило. Вони розташовані посеред Тихоокеанської плити, за тисячі кілометрів від будь-якої межі, і водночас це одна з найактивніших вулканічних систем на планеті. Пояснення — стовп гарячої породи, що піднімається з глибин мантії, мантійний плюм, який живить гарячу точку, що залишається приблизно нерухомою, поки плита дрейфує над нею. У цій статті розглядається фізика плюмів і гарячих точок: нестійкість Релея-Тейлора, що їх породжує, віковий прогресивний трек, який вони прокреслюють на рухомій плиті, здуття підвищеного морського дна навколо гарячої точки, катастрофічні флудові базальти, що утворюються при першому прибутті голови плюму, і триваючу дискусію про те, чи справді гарячі точки нерухомі.
1. Вулканізм меж плит проти вулканізму гарячих точок
Майже весь вулканізм на Землі пояснюється тектонікою плит одним із двох способів. На дивергентних межах — серединно-океанічних хребтах — плити розходяться, мантія під ними піднімається й декомпресується, і плавлення при декомпресії забезпечує стабільне постачання базальту, що будує нове океанічне дно. На конвергентних межах занурювана плита несе воду вглиб мантійного клину над собою; ця вода знижує температуру плавлення навколишньої породи (флюсове плавлення), утворюючи вибухові андезитові вулкани Тихоокеанського вогняного кільця.
Гарячі точки не вписуються в жодну з категорій. Вони виникають посеред плит — внутрішньоплитний вулканізм — без жодного центру спредингу чи зони субдукції поблизу, що могли б пояснити появу розплаву. Дж. Тузо Вілсон запропонував сучасне пояснення в 1963 році: нерухоме джерело тепла глибоко в мантії плавить основу літосфери, поки плита ковзає над ним, утворюючи ланцюг вулканів, що стають дедалі старшими з віддаленням від нині активного. В. Джейсон Морган розвинув цю ідею в 1971 році, визначивши джерело тепла як вузький плавучий плюм, що піднімається аж від межі ядра й мантії.
2. Мантійні плюми та нестійкість Релея-Тейлора
Мантійний плюм починається як нестійкість теплового прикордонного шару. У основі мантії — шарі D″ безпосередньо над межею ядро-мантія — тепло, що проводиться від розплавленого залізного ядра, нагріває породу над ним. Гаряча порода менш густа, ніж холодніша мантія над нею, — нестійка конфігурація, відома як нестійкість Релея-Тейлора: легка рідина намагається піднятися крізь важчу рідину над нею.
Чи справді ця нестійкість переросте в плюм, залежить від балансу між дестабілізуючою силою плавучості та стабілізуючими ефектами в'язкості й теплової дифузії, який фіксується безрозмірним числом Релея:
Ставши нестійким, прикордонний шар піднімається не як суцільний пласт — він розбивається на окремі краплі, кожна з яких вирощує позаду себе вузький живильний канал, утворюючи класичну грибоподібну форму: опукла, майже сферична голова плюму завширшки в кілька сотень кілометрів, за якою тягнеться тонкий циліндричний хвіст плюму завширшки лише в десятки кілометрів, що зберігається довго після того, як голова досягла поверхні. Лабораторні експерименти з в'язкими сиропами, нагрітими знизу, майже точно відтворюють цю грибоподібну геометрію, і саме вона лежить в основі двоетапного вулканічного сигналу, описаного в розділі 7: короткий, об'ємний флудовий базальт від голови, за яким слідує довготривалий, вузький трек гарячої точки від хвоста.
3. Підйом плюму: плавучість і течія Стокса
Мантія на геологічних часових масштабах поводиться як надзвичайно в'язка рідина, тому голову плюму, що піднімається, можна в першому наближенні описати як плавучу сферу, що піднімається крізь в'язке середовище, — задачу течії Стокса.
Коли плюм піднімається крізь мантію, декомпресія знижує тиск на породу, що все ще гаряча, зсуваючи її через криву плавлення — той самий механізм декомпресійного плавлення, активний на серединно-океанічних хребтах, але тут ініційований гарячим висхідним потоком, а не розходженням плит. Оскільки матеріал плюму спочатку аномально гарячий (за оцінками, на 100–300 °C гарячіший за навколишню мантію), він утворює незвично великі об'єми розплаву та незвично багаті на магній лави — пікрити та коматиїти — які слугують геохімічними «відбитками пальців», що відрізняють магму плюмового походження від звичайного базальту серединно-океанічних хребтів.
4. Ланцюг Гаваї-Імператор: реєстратор руху плит
Типовим прикладом треку гарячої точки є ланцюг підводних гір Гаваї-Імператор — лінія вулканів і нині затоплених підводних гір, що простягається понад 6 000 км через дно Тихого океану від нині активних Кілауеа й підводного вулкана, що росте, Лоїхі, через головні Гавайські острови, вздовж підводних гір Імператора, аж до Алеутського жолоба, де найстаріші підводні гори нарешті занурюються.
Ідея Вілсона була простою, але потужною: якщо джерело тепла нерухоме, а Тихоокеанська плита стабільно ковзає на північний північний захід над ним, плита має відносити кожен згаслий вулкан геть від гарячої точки, поки на його місці росте новий, — утворюючи ланцюг, що систематично старішає з віддаленням від активного кінця. Саме це й показує радіометричне датування Гавайських островів: Кілауеа (Великий острів) активний сьогодні, Мауї має вік приблизно 1–1,3 мільйона років, Оаху — близько 2,6–3,7 мільйона років, Кауаї — близько 5 мільйонів років, а ланцюг продовжує старішати аж до 82-мільйоннорічних підводних гір поблизу Алеутських островів.
Ланцюг не є прямою лінією — між гавайським і імператорським сегментами є різкий вигин приблизно на 60°, датований близько 47 мільйонами років тому. Десятиліттями цей вигин трактувався як раптова зміна руху Тихоокеанської плити. Палеомагнітні дані тепер свідчать, що принаймні частина вигину натомість відображає рух самого гавайського плюму на південь протягом цього періоду (див. розділ 8) — і рух плити, і рух плюму залишають свій слід у вигині, а розділення цих двох внесків залишається активною дослідницькою проблемою.
5. Вікова прогресія та рівняння швидкості плити
Якщо гаряча точка нерухома в мантії, вулканічний ланцюг, який вона залишає, по суті є записом руху плити над нею. Відстань між двома точками ланцюга, поділена на різницю їхніх віків, дає швидкість плити в той період:
Це робить треки гарячих точок одним із небагатьох інструментів, що дозволяють геологам реконструювати рухи плит за десятки мільйонів років, задовго до появи супутникової геодезії. Інші треки гарячих точок розповідають ту саму історію для інших плит: гаряча точка Реюньйон зафіксувала північний політ Індії через Тетіс і її зіткнення з Азією; гаряча точка Єллоустоуна прокреслює трек дедалі молодших кислих кальдер, що йде від кордону Орегон-Айдахо-Невада до її нинішнього положення під Вайомінгом, фіксуючи рух Північноамериканської плити на південний захід приблизно за останні 16 мільйонів років.
6. Здуття гарячих точок і динамічна топографія
Гаряча точка робить більше, ніж просто будує вулкани, — вона піднімає морське дно навколо себе у широку, пологу випуклість, яку називають здуттям гарячої точки. Гавайське здуття підіймається приблизно на 1 200 м над навколишнім абісальним морським дном і простягається більш ніж на 1 000 км — набагато ширше, ніж могло б пояснити просте навантаження островів через звичайний прогин кори.
Два механізми поєднуються, утворюючи це здуття. По-перше, теплова плавучість: гарячий матеріал плюму витончує й нагріває основу літосфери, роблячи весь стовп локально більш плавучим і підштовхуючи поверхню вгору — так само, як нагріта рідина розширюється і стає менш густою. По-друге, динамічна підтримка: плюм — це стовп висхідного матеріалу, що активно тисне на основу літосфери, утримуючи поверхню вище, ніж передбачила б лише статична ізостазія, — компонент того, що геофізики називають динамічною топографією, відхиленням поверхні, спричиненим мантійною течією, а не плавучістю самої кори.
Оскільки ширина й висота здуття масштабуються з плавучим потоком плюму, вимірювання здуттів гарячих точок по всьому світу дозволяє геофізикам оцінити загальне тепло, що плюми переносять з глибин мантії до поверхні, — ключовий член у моделях того, як Земля охолоджується протягом геологічного часу.
7. Голови плюмів і провінції флудових базальтів
Грибоподібна голова плюму, описана в розділі 2, не прибуває до поверхні тихо. Коли голова плюму вперше досягає основи літосфери, її великий об'єм аномально гарячої породи зазнає масштабного декомпресійного плавлення, вивільняючи величезні об'єми базальтової лави за геологічно короткий проміжок часу — зазвичай менше мільйона років. Результатом є велика вивержена провінція (LIP), також відома як провінція флудових базальтів.
Гавайська гаряча точка не має відомого флудового базальту, оскільки її хвіст плюму активний настільки довго, що будь-яка початкова подія голови плюму, якщо вона й відбулася, передує найстарішій збереженій частині треку. Інші гарячі точки чітко показують сигнал «голова-потім-хвіст»: голова плюму гарячої точки Реюньйон утворила Деканські трапи в Індії приблизно 66 мільйонів років тому — товщу базальтових потоків, що спочатку покривала понад мільйон квадратних кілометрів, виверглася за кілька сотень тисяч років, майже точно збігаючись із крейдово-палеогеновим масовим вимиранням. Голова плюму гарячої точки Ісландія утворила Північноатлантичну виверджену провінцію близько 56 мільйонів років тому, а Сибірські трапи, пов'язані з плюмом під Сибірським кратоном близько 252 мільйонів років тому, збігаються з пермсько-тріасовим вимиранням — найсильнішим масовим вимиранням у викопному літописі.
8. Чи рухаються гарячі точки? Мантійний вітер і палеомагнетизм
Первісна модель Вілсона й Моргана трактувала гарячі точки як нерухомі маркери в мантії — фактично шпильки на карті, крізь які ковзають плити. Це припущення про «нерухому гарячу точку» досить добре пояснює базову вікову прогресію більшості ланцюгів, але точні сучасні вимірювання показують, що це лише наближення.
Плюми не прикріплені до чогось жорсткого — це плавучі стовпи, що піднімаються крізь мантію, яка сама повільно конвектує й тече. Великомасштабна мантійна течія, яку іноді називають мантійним вітром, може зносити хвіст плюму вбік під час підйому, згинаючи й зміщуючи канал протягом десятків мільйонів років. Оскільки мантія циркулює набагато повільніше, ніж рухаються плити на поверхні, гарячі точки дрейфують значно повільніше за плити — часто лише кілька міліметрів на рік — але не нульово.
Найпереконливіший прямий доказ походить із палеомагнетизму. Коли формувалися гавайські підводні гори, зерна магнетиту в їхніх лавах фіксували напрямок і нахил магнітного поля Землі того часу, який залежить від широти, на якій охолола порода. Порівняння палеомагнітної широти, зафіксованої в підводних горах Імператора, з їхньою нинішньою широтою виявляє невідповідність, яку сам лише рух плити пояснити не може: сама гавайська гаряча точка, схоже, змістилася приблизно на 15° на південь протягом десятків мільйонів років до вигину Гаваї-Імператор, а потім стабілізувалася. Цей єдиний результат переосмислює вигин не як чисту тектонічну перебудову, а як комбінацію рухомої плити й рухомого плюму — нагадування, що «нерухомі» гарячі точки — це зручне перше наближення до по-справжньому динамічної, тривимірної мантії.