Книга: 100 великих тайн Земли

Где прячутся мантийные струи?

Где прячутся мантийные струи?

Никто не видел воочию, что происходит в недрах планеты. Даже удивительно, что в наши дни, когда роботы движутся по поверхности Марса, а межпланетные аппараты исследуют далекий Титан, человек не сумел углубиться в недра Земли хотя бы на полтора десятка километров. Лишь косвенные наблюдения позволяют судить о любопытнейших процессах, протекающих совсем неподалеку от нас.

Вот один из таких феноменов – мантийные струи (плюмы), потоки горячего вещества, притекающие из нижних слоев мантии. Все начинается с тонкой струйки шириной от 10 до 100 километров. Температура вещества, составляющего ее, на 100—300° выше, чем температура окружающих ее пород. Миновав вязкую мантию и достигнув твердой литосферы, она заметно расширяется, напоминая теперь шляпку гриба. Там, где подобные струи прорываются к поверхности Земли, они порождают особую форму вулканизма – так называемые «горячие точки» (Hot Spots). Такие вулканы располагаются не по краям литосферных плит, а посредине – там, где, как считалось в рамках теории глобальной тектоники, их не должно было быть.

Чаще всего эти вулканы встречаются на островах, затерянных где-нибудь в океане. Образуются целые цепочки подобных островов. Один из самых ярких примеров – Гавайские острова. Геологические исследования показывают, что в таких цепочках чем дальше острова оказываются от действующего вулкана, тем выше их возраст. Как правило, на самых древних островах находятся давно погасшие вулканы.

В 1963 году канадский геофизик Джон Тьюзо Уилсон связал это наблюдение с дрейфом литосферных плит. По его предположению, источник магмы, изливающейся при извержении подобного вулкана, скрывается в глубине мантии – гораздо глубже, чем при извержении обычных вулканов. В таком случае этот вулкан (назовем его сейчас «вулкан гавайского типа») движется вместе с литосферной плитой и извергается до тех пор, пока магма, притекающая из глубины мантии, не перестает его питать. Постепенно этот вулкан смещается в сторону от «горячей точки», и раскаленная магма, в конце концов, прожигает новый участок земной поверхности. Так образуется новый действующий вулкан, а прежний прекращает свою деятельность, гаснет. Через какое-то время все повторяется. Рождается очередной вулкан.

Нижняя мантия суперплюма

В 1971 году эту гипотезу дополнил американский геофизик Джейсон Морган. Он предположил, что восходящие потоки раскаленного вещества зарождаются в нижней части мантии. Эта догадка позволила объяснить, почему при извержении вулканов гавайского типа химический состав базальтовых лав, достигающих поверхности Земли, заметно отличается от состава базальтов, оказывающихся на поверхности при извержении обычных вулканов.

В последующие десятилетия, используя результаты сейсмических наблюдений и компьютерных моделей, ученые сумели во многом описать эти потоки вещества – мантийные струи. Обнаружено уже около полусотни подобных струй. Они располагаются под Гавайскими островами, Исландией, горами Эйфель на западе Германии и горой Этна на Сицилии.

Наблюдения показали, что есть два типа мантийных струй. Одни – в районе Азорских островов, Таити, Самоа – зарождаются на границе с ядром Земли, на глубине 2900 километров, и пересекают всю мантию. Другие – например, в Эйфеле – образуются в зоне, разделяющей верхнюю и нижнюю мантию, на глубине 410—660 километров от земной поверхности.

Возможно, помимо обычных мантийных струй земную мантию рассекают и громадные потоки раскаленного вещества – так называемые суперплюмы, суперпотоки. Только этим можно объяснить возникновение в далеком прошлом громадных базальтовых плато – таких, как плоскогорье Декан в Индии (его площадь достигает миллиона квадратных километров). Сегодня многие ученые связывают появление этого плато, образовавшегося около 66 миллионов лет назад, с «горячей точкой», которая находится теперь под островом Реюньон, хотя эта гипотеза и вызывает немало споров.

Другой пример. Около 250 миллионов лет назад свыше 2 миллионов квадратных километров территории Сибири было покрыто слоем лавы – результатом мощных вулканических извержений. Возможно, именно они стали причиной массового вымирания животных на исходе пермского периода (299—251 миллион лет назад), когда исчезли 95 % всех видов, обитавших в тогдашних морях, и две трети видов, населявших сушу. Обширные базальтовые плато имеются также в Китае (район горы Эмэйшань) и Бразилии (район реки Парана).

На рубеже 1980-х и 1990-х годов была опубликована гипотеза Роберта Шеридана из Ратгерского университета и Роджера Ларсона из университета Род-Айленда. Согласно их предположению, особую активность суперплюмы проявляли в меловом периоде, около 120 миллионов лет назад. В пользу этого свидетельствуют резкие колебания тогдашнего уровня моря, усиленное образование океанической коры, стремительное раздвижение морского дна, прекращение смены магнитных полюсов, повышение средней температуры на планете. Главный очаг активности находился в западной части Тихого океана. По оценке исследователей, эта область достигала в поперечнике нескольких тысяч километров – в десятки раз больше территории, затрагиваемой деятельностью обычных мантийных струй.

Ученые продолжают спорить о том, существуют ли на самом деле суперплюмы. В новейшей научной литературе это понятие применяется лишь к двум регионам планеты. Предполагается, что одна из этих гигантских струй находится в западной части Тихого океана – там, где выявлен аномально большой приток тепла из глубин планеты к ее поверхности и располагаются четыре «горячие точки», – а другая скрывается под Восточной Африкой.

По одной гипотезе, такие струи, словно громадный поток Амазонки, образуются за счет слияния нескольких мелких струек-«речушек», которые, устремляясь наверх, к «воздушному океану», соединяются друг с другом. Однако сейсмические наблюдения не подтвердили этой догадки.

Другую гипотезу предложили Венди Панеро и ее коллеги из университета штата Огайо. По их мнению, важную роль в зарождении гигантских восходящих потоков вещества играют многочисленные обломки древних континентальных плит, скапливающиеся в нижней части мантии, что нарушает привычный ход протекающих здесь процессов. Участки мантии, где образовались подобные потоки вещества, с самого начала незначительно отличались по своему химическому составу от соседних областей. Они содержали предположительно от 10 до 13 % железа вместо 10—12 %, как остальная часть мантии. Громадные мантийные потоки – это, вероятно, потоки вещества более плотного, нежели в остальной мантии. Обычно такое вещество погружается в глубь менее плотного – в глубь мантии – и расширяется. Но здесь они зародились там, куда в результате процесса субдукции опускаются куски литосферных плит. По этой причине суперплюмы, полагает Панеро, не могут стронуться с места на протяжении последних 200 миллионов лет – со времен распада Пангеи, хотя окружающее их вещество мантии непрестанно движется вокруг них.

Исследование мантийных струй только начинается. Пока разрешающая способность современных приборов слишком мала, чтобы увидеть во всех подробностях то, что происходит не на Марсе или Титане, а всего в сотне километров от нас. Но это лишний раз убеждает нас в том, что география – физическая география Земли – и в XXI веке останется одной из важнейших наук. Нас могут ждать новые крупные открытия!