Мантийный плюм

Мантийный плюм — это гипотетический восходящий поток горячего и относительно пластичного материала в мантии Земли (или другой планеты), который, согласно одной из геодинамических моделей, поднимается от границы ядра и мантии (слой D'') к земной коре, вызывая вулканизм, не связанный с тектоникой литосферных плит. Концепция мантийных плюмов была предложена для объяснения внутриплитного магматизма, в частности, образования цепочек вулканических островов (например, Гавайской) и крупных магматических провинций (траппов).

История концепции

Предпосылки и ранние идеи

В середине XX века классическая тектоника плит успешно объясняла большинство вулканических и сейсмических явлений на границах литосферных плит. Однако оставались необъяснёнными зоны вулканизма вдали от границ плит — так называемый «внутриплитный магматизм». Наиболее ярким примером служит Гавайско-Императорская подводная горная цепь в Тихом океане, где возраст вулканов закономерно увеличивается по мере удаления от действующего вулкана Килауэа.

Формулировка гипотезы (1970-е годы)

В 1971 году канадский геофизик Дж. Тузо Уилсон (один из создателей теории тектоники плит) предположил, что такие цепочки образуются при движении литосферной плиты над неподвижным источником магмы в мантии — «горячей точкой» (hotspot). В 1972 году американский геолог У. Джейсон Морган развил эту идею, предложив модель мантийного плюма — узкого (диаметром 100–200 км) восходящего потока разогретого мантийного вещества, который поднимается от границы ядро-мантия.

Развитие и критика (1980–2000-е)

В 1990-е годы гипотеза получила широкое признание, особенно после того, как сейсмическая томография выявила крупные низкоскоростные зоны в нижней мантии (под Африкой и Тихим океаном), интерпретированные как «суперплюмы». Однако в 2000-х годах появились альтернативные модели, объясняющие внутриплитный магматизм без привлечения плюмов — например, через трещины и растяжение литосферы, вызванные глобальными напряжениями. Научные дебаты по этому вопросу продолжаются.

Модель и механизм

Строение плюма

В классической модели мантийный плюм состоит из трёх частей:

1. Головка плюма — расширяющаяся (диаметром до 1000–2000 км) грибовидная структура, которая поднимается быстрее остальной части. При достижении литосферы головка растекается, вызывая кратковременный, но мощный вулканизм — образование крупных магматических провинций (траппов, плато-базальтов).
2. Ножка (стебель) плюма — относительно узкий (100–200 км) канал, по которому горячий материал поднимается с глубины. Ножка остаётся активной длительное время, питая «горячую точку» на поверхности.
3. Источник — область на границе ядра и мантии (слой D''), где накапливается тепловая энергия, возможно, за счёт теплопередачи от жидкого внешнего ядра.

Физика процесса

Подъём плюма обусловлен тепловой конвекцией: более горячий и, следовательно, менее плотный материал мантии всплывает сквозь окружающую более холодную и плотную мантию. Скорость подъёма оценивается в 1–5 см/год, что сопоставимо со скоростью движения литосферных плит. При подъёме плюма давление снижается, и часть его вещества начинает плавиться (декомпрессионное плавление), образуя магму, которая извергается на поверхность.

Отличие от тектоники плит

В отличие от магматизма на границах плит (срединно-океанические хребты, зоны субдукции), мантийный плюм не связан с движением литосферы. Он может существовать миллионы лет, оставаясь относительно неподвижным, в то время как литосферная плита движется над ним, создавая цепочку вулканов.

Признаки и идентификация

Геологические свидетельства

Для идентификации мантийных плюмов на Земле используются следующие критерии:

• Линейные цепочки вулканов с прогрессивным изменением возраста (например, Гавайская цепь).
• Крупные магматические провинции (траппы) — обширные базальтовые покровы, образовавшиеся за короткий геологический промежуток времени (1–5 млн лет). Примеры: Сибирские траппы (251 млн лет назад), плато Декан (66 млн лет назад).
• Топографические поднятия — куполообразные возвышения коры над плюмом (например, Исландское плато, Афарская котловина).
• Аномально высокий тепловой поток и гравитационные аномалии.

Сейсмическая томография

Современные методы сейсмической томографии позволяют «просвечивать» мантию, выявляя зоны с пониженной скоростью сейсмических волн. Такие зоны интерпретируются как области повышенной температуры — потенциальные плюмы. Наиболее известные томографические аномалии:

• LLSVP (Large Low Shear Velocity Provinces) — две гигантские области под Африкой и Тихим океаном, которые считаются «суперплюмами» или кладбищами субдуцированных плит.
• Под Гавайями и Исландией — узкие низкоскоростные колонны, уходящие на глубину не менее 1000 км.

Примеры на Земле

Гавайско-Императорская цепь

Классический пример, на котором основана гипотеза. Цепь включает более 80 подводных и наземных вулканов, протянувшихся на 6000 км от Камчатки до Гавайских островов. Возраст вулканов закономерно увеличивается с юго-востока на северо-запад: от 0 млн лет (Килауэа) до 80 млн лет (Императорские горы). Излом цепи (около 50 млн лет назад) интерпретируется как изменение направления движения Тихоокеанской плиты.

Исландия

Исландия расположена на Срединно-Атлантическом хребте, но её вулканическая активность в 5–10 раз выше, чем на других участках хребта. Это объясняется наличием под ней мощного мантийного плюма, который «подпитывает» хребет дополнительным количеством магмы. Плюм под Исландией считается одним из наиболее достоверно подтверждённых.

Сибирские траппы

Крупнейшая магматическая провинция фанерозоя, образовавшаяся около 251 млн лет назад на границе перми и триаса. Площадь излияний базальтов оценивается в 2–4 млн км², объём — 1–4 млн км³. Извержения Сибирских траппов совпадают по времени с массовым пермским вымиранием, что породило гипотезу о связи плюмового магматизма с глобальными экологическими катастрофами.

Критика и альтернативные гипотезы

Основные возражения

1. Недостаточность сейсмических данных: Томография не всегда может однозначно подтвердить существование узких колонн в нижней мантии. Разрешение методов ограничено, и многие аномалии могут быть интерпретированы иначе.
2. Альтернативные механизмы: Внутриплитный магматизм может быть вызван растяжением литосферы, образованием трещин и пассивным подъёмом мантийного вещества, а не активным всплыванием горячего плюма.
3. Проблема «горячих точек»: Некоторые «горячие точки» не демонстрируют закономерного изменения возраста вулканов, а их траектории не совпадают с движением плит.

Альтернативные модели

• Модель «плитной тектоники» (plate tectonic model): Объясняет внутриплитный вулканизм через процессы, связанные с субдукцией, отрывом слэбов и мантийной конвекцией второго рода.
• Модель «расплавных каналов» (melt channel model): Предполагает, что магма образуется в верхней мантии и поднимается по трещинам, а не из глубокого источника.
• Модель «суперплюмов»: Некоторые учёные считают, что LLSVP — это не плюмы, а скопления субдуцированного материала, которые не поднимаются, а остаются на границе ядро-мантия.

Значение и нерешённые вопросы

Роль в геодинамике

Мантийные плюмы, если они существуют, являются важным механизмом теплопереноса из недр Земли. Они могут объяснять до 10–20% общего теплового потока планеты. Кроме того, плюмы играют ключевую роль в образовании крупных магматических провинций, которые, в свою очередь, влияют на климат и биосферу.

Нерешённые проблемы

• Реальность плюмов: До сих пор нет прямых доказательств существования плюмов, проходящих через всю мантию. Большинство данных — косвенные.
• Взаимодействие с тектоникой плит: Неясно, как плюмы взаимодействуют с движущимися плитами и зонами субдукции.
• Плюмы на других планетах: На Венере и Марсе наблюдаются структуры, похожие на плюмовые (например, вулканические купола на Венере), но их природа также остаётся предметом дискуссий.

Источники

• Morgan, W. J. (1972). «Deep mantle convection plumes and plate motions». AAPG Bulletin.
• Wilson, J. T. (1963). «A possible origin of the Hawaiian Islands». Canadian Journal of Physics.
• Campbell, I. H. (2005). «Large Igneous Provinces and the Mantle Plume Hypothesis». Elements.
• Courtillot, V. et al. (2003). «Three distinct types of hotspots in the Earth's mantle». Earth and Planetary Science Letters.
• Foulger, G. R. (2010). «Plates vs. Plumes: A Geological Controversy». Wiley-Blackwell.