Мантийный плюм

Плюм (англ. plume) — горячий мантийный поток, двигающийся от основания мантии у ядра Земли независимо от конвективных течений в мантии. Главным агентом теплопереноса является «горячая струя» расплава.

Мантийный плюм
Медиафайлы на Викискладе

Мантийные плюмы считаются ответственными за возникновение:

• траппов;
• внутриконтинентальных рифтов;
• горячих точек (типа Гавайская горячая точка).

Теория плюмов

Лавовая лампа хорошо иллюстрирует принцип действия плюма

Теория плюмов первоначально была предложена канадским геофизиком Дж. Т. Уилсоном в 1969 году. Согласно теории плюмов существование восходящих конвективных потоков в земной мантии постулировалось для объяснения наличия горячих точек. Первоначально Уилсон применил концепцию плюма к Гавайским островам, сумев объяснить увеличение давности образования гор Гавайского подводного хребта по мере удаления от текущего местоположения Гавайской горячей точки^[1]. По мнению Уилсона, Гавайские острова возникли как часть тектонической плиты (распространяющейся на значительную часть Тихого океана), которая смещается на северо-запад над фиксированной горячей точкой, — последняя проявляет себя в виде последовательной цепочки вулканов, причём действующие вулканы геологически моложе потухших.

С 1971 года над развитием теории плюмов работали американский геофизик У. Дж. Морган^[2] и другие исследователи, применившие её ко многим другим горячим точкам.

Образование плюмов

Большинство изученных мантийных аномалий начинаются в пограничном слое между мантией и внешним ядром, — так называемом D" слое, в котором наблюдается значительное повышение температуры. Как в любой расслоённой гидродинамической системе с ярко выраженным термоклином, на этой границе возникают неровности, которые могут перерасти в мантийный плюм различных размеров.

По одной из других гипотез, мантийный плюм начинает функционировать, когда несколько континентальных плит собираются в суперконтинент, препятствуя выходу внутриземного тепла наружу. Образующийся восходящий конвективный поток в мантии приподнимает плиту в виде свода, меняя форму геоида (к примеру, в районе Гавайского плюма и сейчас существует пятидесятиметровая выпуклость). Далее суперконтинент разрушается по сформировавшимся трещинам, а сам плюм может существовать после этого длительное время (до миллиарда лет)^[3].

Взаимоотношение тектоникой литосферных плит

До настоящего времени достоверно не установлены взаимоотношения между плюмами и конвективными ячейками в мантии, предполагающимися теорией литосферных плит. Однако, установлено, что некоторые мантийные плюмы в течение длительного времени сохраняли стационарное положение^[4].

Строение плюма

Строение Йеллоустонского супервулкана

Рассмотрим строение плюма на примере плюма Йеллоустонского супервулкана на северо-западе США. (Кальдера этого гигантского древнего вулкана была обнаружена по спутниковым снимкам в 1960-е годы.^[5])

В результате исследований выяснилось, что под супервулканом до наших дней сохраняется громадный пузырь магмы, причём глубина этого пузыря составляет более восьми тысяч метров. Температура расплава внутри превышает 800 °C, — этого достаточно, чтобы подогревать термальные источники, нагнетать из-под земли пары воды, сероводород и углекислоту^[5].

Плюм, обеспечивающий «питание» для Йеллоустонского супервулкана, представляет собой вертикальный поток мантийной породы, раскалённый до 1600 °C. Ближе к поверхности Земли часть плюма расплавляется в магму, что на континенте приводит к образованию гейзеров и грязевых котлов. (Океаническую кору такой плюм просто проплавит насквозь, как это наблюдается в Гавайской горячей точке.) В разрезе плюм представляет собой 660-километровый столб с боковыми вздутиями, расширяющийся кверху в форме воронки. Два его верхних ответвления находятся непосредственно под территорией Йеллоустонского национального парка, образуя магматическую камеру (глубина залегания — 8−16 км ниже поверхности Земли). На протяжении миллионов лет Северо-Американская континентальная плита сдвигалась относительно плюма, а плюм накапливая тепловую энергию периодически раз за разом «прожигал» новые кальдеры, вызывая очередные извержения^[6] супервулканов.

См. также

• Горячая точка (геология)
• Геодинамика, Тектоника плит, Плюм-тектоника