Так называемые «горячие точки» в мантии и мембранная тектоника
Рассматривая проблему конвективного массооборота в мантии, нельзя не коснуться критики понятия так называемых «горячих точек». Впервые высказанная Т. Вильсоном (1963) идея существования в мантии «горячих пятен», над которыми возникают вулканы типа Гавайских островов, после работ В. Моргана (1971, 1972), попытавшегося дать ей теоретическое объяснение, неожиданно приобрела большую популярность среди многих геологов. Согласно В. Моргану, в мантии существуют горячие струи — плюмы, поднимающиеся с уровней нижней мантии к основаниям литосферных плит и проплавляющие («прожигающие») их, в результате чего и возникают внутриплитовые вулканы. К. Бурке и Т. Вильсон (1976) предположили даже существование на Земле 122 «горячих точек». При этом принимается, что положение «горячих точек» как бы фиксировано по отношению к нижней мантии. Отсюда появилось множество работ, в которых авторы пробуют определить «абсолютные» движения литосферных плит по цепочкам вулканов, якобы оставшихся на поверхности Земли в виде следа «прожигания» плит после их перемещения над такими «горячими точками».
Физических основ и соответствий с геологическими данными у этой идеи не более, чем у гипотезы «расширяющейся Земли». Начнём с геологических данных. Обычно в вулканах, ассоциируемых с «горячими точками», изливаются щелочные базальты. Однако известно (Грин, Рингвуд, 1968, 1970), что такие базальты выплавляются в области существования шпинелевых пиролитов (лерцолитов) при околосолидусных температурах, т. е. магмы щелочных базальтов являются не горячими, а предельно остывшими расплавами, которые могут существовать только непосредственно под подошвой литосферы при малой степени парциального плавления мантийного вещества. При высоких температурах, существенно превышающих солидус мантийного вещества, т.е. при высоких степенях парциального плавления пиролита, должны были бы выплавляться пикритовые базальты или даже коматииты. Об этом же говорят и эксперименты по фракционной кристаллизации базальтовых магм. Действительно, щелочные базальты возникают только как остаточные жидкости при охлаждении и кристаллизации исходных оливин-базальтовых магм в условиях повышенных давлений (Иодер, Тилли, 1965), соответствующих РТ-условиям, существующим непосредственно под зрелыми океаническими плитами возрастом от 20 до 100-120 млн лет и мощностью 40-80 км.
Температура щелочных лав, извергающихся в вулканах «горячих точек» обычно лежит в пределах 1100-1200 °С, тогда как приведённое к поверхности значение адиабатической температуры мантии приблизительно равно 1 320 °С, а её пересечение с экспериментально определённой температурой плавления мантийного вещества происходит на глубинах около 80 км (см. рис. 58). Следовательно, только в пределах этих глубин и могло происходить зарождение самих базальтов.
Если бы магматические струи — плюмы зарождались в нижней мантии, как предполагали создатели гипотезы «горячих точек», например, на глубине 1 000 км (это только верхняя часть нижней мантии), то именно на такой глубине возникали бы и сами очаги первичных расплавов. Учитывая, что на этих глубинах температура плавления силикатов достигает 3 500 °С, легко определить, что, попадая на поверхность температура этих расплавов равнялась бы примерно 2 100 °С, т.е. оказывалась бы перегретой приблизительно на 800 °С по сравнению с реальными температурами щелочных базальтовых лав! Такого не происходило даже в архее, когда мантия была перегретой на 300-500 °С и в обилии порождала коматиитовые расплавы.
Не увенчались успехом и все попытки установления с помощью сейсмических методов магматических струй или плюмов перегретого вещества в глубокой мантии под Гавайскими островами: никаких аномалий в подлитосферной мантии там обнаружить так и не удалось. По этому поводу Д. Браун и А. Массет, авторы книги «Недоступная Земли» (1984), отмечают, что сейсмические исследования не подтверждают существования в мантии плюмов.
Противоречит гипотеза «горячих точек» и проявлениям вулканизма на Гавайских островах, для объяснения которого она и была предложена. Так, по геологическим данным установлено, что основная фаза вулканизма, сформировавшая о. Оаху, закончилась около 3 млн лет назад. С тех пор произошла эрозия острова, сформировались поверхности выравнивания и глубокие эрозионные долины, но в течение более чем 2 млн лет никакой вулканической деятельности там больше не происходило. Однако уже в четвертичное время, около нескольких сотен тысяч лет назад, вулканическая активность внезапно вновь проявилась и закончилась лишь около 30 тыс. лет назад, сформировав свежие излияния и вулканические постройки гонолулской серии. За 2 млн лет перерыва вулканической деятельности существовавший ранее магматический канал должен был бы полностью раскристаллизоваться и прочно затампонироваться. Но чем тогда можно объяснить новую очень короткую вспышку вулканизма на о. Оаху? Новым «прожиганием» литосферы над новой «горячей точкой»? Ведь старая «горячая точка» в это же самое время продолжала «действовать» на южном острове архипелага Гавайи, тогда как о. Оаху за эти 2-3 млн лет переместился к северо-западу от места активного вулканизма приблизительно на 200-300 км. По-видимому, такой короткий импульс повторного вулканизма Гонолулской серии (после длительного перерыва вулканической активности) можно объяснить только повторным образованием трещины в литосферной плите под о. Оаху.
Теперь кратко о физических основах «горячих точек». Начнём с того, что идея таких точек полностью несовместима с концепцией конвектирующей мантии, лежащей в основе хорошо обоснованной теории тектоники литосферных плит. Ведь в охваченной конвективными движениями мантии, будь то тепловая или тем более химико-плотностная конвекция, распределение температуры всегда близко к адиабатическому с приведённой к поверхности температурой около 1 320 °С. Следовательно, в такой мантии глубже 80 км (т. е. глубже перехода шпинелевых лерцолитов в гранатовые) никаких ювенильных расплавов существовать не должно (см. рис. 66). Тем более этот запрет полностью относится к нижней мантии. Кроме того, в конвектирующей мантии происходит постоянное перемешивание вещества, и поэтому совершенно исключается предположение о существовании в её глубинах каких-либо участков локального перегрева вещества на 1000-2000 °С. Для этого потребовались бы природные радиоактивные реакторы, с ураганными концентрациями в них радиоактивных элементов. Но в мантии таких элементов очень мало, к тому же они более или менее равномерно распределены по всему мантийному веществу, а их вклад в эндогенные энергетические процессы не превышает 8-10 %.
Предвидя возражения, с напоминанием о генерации кимберлитовых, лампроитовых, карбонатитовых и щёлочно-ультраосновных магм на глубинах больших 80 км и вплоть до 250 км. Обратим внимание на то, что температуры этих магм не превышают 1000-1100 °С, а происхождение всех этих экзотических расплавов легко может быть объяснено переплавлением докембрийских водонасыщенных и богатых окислами железа карбонатно-силикатных океанических осадков, затянутых на такие глубины под архейские континенты по древним зонам поддвига плит (О. Сорохтин, Ф. Митрофанов, Н. Сорохтин, 1996). Возможность затягивания железистых (тяжёлых) осадков на такие глубины была показана в работе А. С. Монина и О. Г. Сорохтина (1986), а температура плавления водонасыщенных осадков даже при давлениях около 50-70 кбар, как известно, не превышает 600-900 °С.
Для того чтобы проплавить вещество литосферы, необходимо подвести к её подошве достаточный запас тепла. Если считать, что «прожигание» узкого магматического канала происходит теми же магмами, которые поступают в вулканический канал, то исходная температура таких магм опять должна была бы превышать температуру астеносферы на те же 1000-1500 °С, а это, как показано выше, полностью исключается. С точки зрения гидродинамики узкие плюмы не могут порождаться и самим конвективным массообменом в мантии, так как для этого опять потребовался бы перегрев их вещества на многие сотни градусов, а вместо щелочных лав в вулканах, расположенных над такими горячими плюмами, изливались бы только коматииты.
Иногда в качестве доказательства существования «горячих точек» и привноса в них вещества из более глубокого «недеплетированного» резервуара мантии приводят стронциевые отношения 87Sr/86Sr = 0,7030-0,7036, слегка, но всё-таки заметно превышающие таковое для толеитов срединно-океанических хребтов 87Sr/86Sr = 0,7027. Но эту разницу изотопных отношений легко объяснить и без привлечения таких механизмов дифференциации, как плюмы «горячих точек». Действительно, фракционное плавление мантийного вещества на глубинах подлитосферной мантии при умеренных давлениях (от 7 до 20 кбар) и близких к солидусу температурах, прежде всего, приводит к расплавлению щелочных пироксенов, содержащих и радиоактивный рубидий 87Rb. При этом в расплав переходит избыточный радиогенный 87Sr, который накапливался в кристаллических решётках таких пироксенов (за счёт распада 87Rb) ещё до момента попадания данной порции мантийного вещества на уровень астеносферы. При меньших же давлениях и большем парциальном плавлении мантийного вещества под срединно-океаническими хребтами уже в большей мере переходят в расплав кальциевые пироксены и полевые шпаты (основные носители стронция), «запомнившие» отношения 87Sr/86Sr со времени предыдущего цикла расплавления мантийного вещества в астеносфере, происходившего ещё в прошлом конвективном цикле, характеризовавшемся меньшими значениями таких отношений.
Таким образом, магматизм так называемых «горячих точек» на поверку оказывается предельно холодным и никак не связанным с глубокой (нижней) мантией. Поэтому все многочисленные попытки определить по «горячим точкам» абсолютные перемещения литосферных плит оказываются построенными на песке. Но в чем же тогда скрыта истинная причина появления внутриплитового магматизма? Сегодня на этот вопрос можно ответить уверенно и однозначно: внутриплитовый магматизм появляется только в тех случаях и только тогда, когда в литосферной оболочке возникают сквозные трещины, дренирующие верхние слои астеносферы и заполняемые поступающими из них расплавами. Отсюда следует, что как океанический, так и континентальный рифтогенез возникают только при расколах литосферных плит под влиянием растягивающих напряжений, как это и следует из модели пассивного рифтогенеза Ю. Г. Леонова (2001). При таком механизме возникновения внутриплитового магматизма его геохимия и термодинамика определяются только давлением и температурными условиями в подлитосферной мантии, а также глубиной проникновения в неё дренирующих трещин. С этим механизмом оказываются полностью согласованными большинство геологических данных по магматизму такого типа и экспериментальные результаты по плавлению пиролита (лерцолитов) при разных РТ-условиях. При этом не требуется привлечения каких-либо дополнительных гипотез. Единственный остающийся вопрос — это выяснение механизмов возникновения самих расколов и трещин в литосферной оболочке Земли.
Такие расколы, естественно, могут возникать и под влиянием конвективных течений в мантии (пример тому — Восточно-Африканская рифтовая система), а также под влиянием столкновения плит и давления со стороны соседних плит (как это происходит в Восточной Азии и Забайкалье). Но такие расколы не создают иллюзий стоящих на месте магматических центров типа Гавайских вулканов. В этом отношении плодотворной является гипотеза Д. Таркота и Е. Оксбурга (1978), согласно которой литосферные плиты, перемещаясь по поверхности горячей мантии, вынуждены приспосабливаться к переменной кривизне эллипсоида вращения Земли. И хотя радиусы кривизны литосферных плит при этом меняются несущественно (всего на доли процента), их деформация вызывает в теле крупных плит появление избыточных напряжений растяжения или сдвига порядка сотен бар. При наличии в астеносфере жидких расплавов, способных заполнять собой образующиеся трещины и принимать на себя всестороннее гидростатическое давление вышележащих пород, такие напряжения достаточны для полного раскола литосферы от её основания и до поверхности.
Если же теперь крупная литосферная плита, например Тихоокеанская, перемещается из низких широт в более высокие, то в теле такой плиты должны постепенно нарастать напряжения растяжения (рис. 69). После достижения ими предела прочности пород на разрыв в литосферной оболочке, лежащей на пропитанном жидкими базальтовыми расплавами астеносферном слое, будет происходить раскол и образование заполняемой этими же расплавами трещины. В результате базальтовым магмам открывается доступ из-под подошвы литосферы на её поверхность с образованием вначале покровных излияний, а затем и вулканических построек. При длительном действии такого механизма на критических широтах около 18-20° с. ш. (на которых напряжения растяжения достигают предела прочности пород на разрыв) возникнет «бегущая» трещина, на острие которой постоянно будут происходить излияния базальтовых лав.
В 1990 г. одному из авторов монографии (О. Г. Сорохтину) посчастливилось опускаться на глубоководном обитаемом аппарате «Мир» на дно Тихого океана к югу от действующего подводного вулкана Лоихи (расположенного южнее о. Гавайи), вблизи от начала вновь формирующейся трещины раскола литосферы. В месте погружения совершенно свежие и ещё не присыпанные осадками базальтовые лавы с подушечной текстурой залегают в виде покрова непосредственно на осадках. В центральных частях этого покрова отчётливо видны открытые трещины — гъяры метровых размеров, явные следы растяжения пород. К северо-западу площадь и мощность базальтовых покровов последовательно возрастала, пока постепенно не перешла в подножие молодого подводного вулкана Лоихи. По нашему мнению, наблюдавшаяся картина базальтовых излияний к югу от Гавайских островов практически однозначно свидетельствует о функционировании здесь механизма разрыва Тихоокеанской литосферной плиты, а не её проплавления мантийным веществом «горячей точки». Если после залечивания первого разлома (благодаря охлаждению и полной кристаллизации магмы в подводящем канале) напряжения растяжения все-таки продолжают возрастать (за счёт продолжающегося изменения кривизны перемещающейся литосферной плиты), то может возникнуть новая трещина и произойти повторный импульс вулканизма, как это и наблюдалось в голоцене на о. Оаху в Гавайском архипелаге.
После полного развития раскола кривизна литосферы вновь приспосабливается к форме эллипсоида вращения Земли, напряжения в ней исчезают, а базальтовые магмы, когда-то внедрившиеся в образовавшиеся трещины, полностью остывают, кристаллизуются и вновь спаивают воедино расколовшуюся было литосферную плиту. Однако остающиеся на её поверхности потухшие вулканы чётко отмечают путь движения плиты над критической широтой (но не долготой и тем более не над «горячей точкой»!).
При движении плит из высоких широт в низкие вместо напряжений растяжения в них появляются напряжения сжатия (действующие в широтном направлении), и как следствие в таких плитах возникает ортогональная система сдвиговых деформаций, ориентированная под углом 45° к направлению главных сжимающих напряжений. В узлах сети сдвиговых деформаций (на пересечении сдвигов) возникают, как правило, изолированные каналы — зияния, по которым происходят вулканические извержения, создающие затем площадные группы вулканических островов. Как и в предыдущем случае, эти острова также формируются в основном на критических широтах (но не долготах!). Если взять в пример Тихоокеанскую плиту, то архипелаги таких островов возникают приблизительно на 25-30° ю. ш. и всегда тяготеют к ослабленным зонам трансформных разломов. На этих же широтах в середине мелового периода возникли многочисленные вулканические острова, превратившиеся в позднем мелу в плосковершинные подводные горы — гайоты (Богданов и др., 1990). К настоящему времени все гайоты этого возраста уже переместились в Северное полушарие.
Посмотрим теперь с количественной точки зрения, насколько мембранная гипотеза отвечает реальной обстановке возникновения внутриплитового вулканизма гавайского типа на Тихоокеанской плите. Для расчёта используем параметры эллипсоида вращения Земли: экваториальный радиус Rэ = 6378,16 км, полярный радиус Rп = 6356,78 км. Как видно из этих данных, эксцентриситет эллипсоида вращения Земли очень небольшой, всего е =1/298,3. Это позволяет приближённо решать задачу о деформациях перемещающихся по поверхности Земли литосферных плит с использованием только упрощённых моделей.
Рассмотрим опять движение крупной литосферной плиты от экватора на север. При этом благодаря жёсткости плиты и разности радиусов её кривизны на экваторе и на более высоких широтах в её центральной части возникает подобие арки амплитудой в сотни метров и более (на полюсе высота такой «арки» превышала бы 21 км). Если в качестве примера взять Тихоокеанскую плиту и учесть, что на её флангах (по краям плиты) отсутствуют упоры, поскольку в этих местах плита по зонам субдукции погружается в мантию или только формируется в рифтовых зонах, то оказывается, что у такой плиты не может возникнуть арочный эффект сжатия. Наоборот, у такой плиты должна наблюдаться обратная картина — растяжение за счёт её соскальзывания с астеносферного выступа под аркой. Согласно расчётам (Сорохтин, Ушаков, 1993), учитывающим размеры
Тихоокеанской плиты, превышающие 11 тыс. км, и её упругое сжатие, высота такой «арки» в центре плиты могла бы превышать несколько сотен метров. Судя по широкой положительной гравитационной аномалии в свободном воздухе амплитудой около 10 мГал, протянувшейся строго по центральной зоне Тихоокеанской плиты в северо-западном направлении от экватора до широты Гавайских островов, и широким депрессиям гравитационного поля (до −20 мГал) на флангах этой плиты (рис. 70), суммарная высота её «арки» достигает 330 м. Возникающие при этом напряжения растяжения в своде такой «арки» на 18-20° с. ш. (т. е. как раз в зоне развития упоминавшихся выше базальтовых покровов к югу от о. Гавайи) достигают −70 бар. Для сравнения напомним, что, судя по интенсивности большинства землетрясений и размерам их очаговых зон, подвижки (разломы) в горных породах происходят при избыточных напряжениях порядка нескольких десятков бар. В присутствии же жидкого базальтового расплава, воспринимающего на себя литостатическое давление пород, их прочность оказывается существенно сниженной.
Интересно отметить, что в южной котловине Тихого океана, где литосферная плита движется из высоких широт в низкие, как и следует из гипотезы мембранной тектоники, в центре плиты располагается пологая отрицательная гравитационная аномалия в свободном воздухе, а по её периферии, наоборот, положительные аномалии. Общий размах аномалий достигает все тех же 30 мГал. Следовательно, относительная амплитуда прогиба плиты здесь также достигает 330 м, а напряжения сжатия (и сдвига) +70 бар.
Из приведённых примеров расчёта видно, что возникающих за счёт мембранного эффекта напряжений в Тихоокеанской плите достаточно для её разрыва и возникновения в ней крупных трещин — подводящих магматических каналов. Ширину образующихся трещин можно определить по относительным деформациям плиты с учётом её упругих и прочностных свойств. Проведённые оценки показывают, что ширина трещины растяжения Тихоокеанской плиты на 20° с. ш. уже может достигать 1,3 км. В реальных условиях, однако, ширина трещины будет ещё большей, поскольку значение «долговременного» модуля упругости (благодаря релаксационным явлениям в породах литосферы) всегда оказывается существенно меньшим принятого в расчёте его «мгновенного» значения. Естественно, такие широкие трещины являются великолепными подводящими каналами для базальтовых магм, поднимающихся из-под расколовшейся литосферы на её поверхность, чем в конечном итоге и объясняется внутриплитовый вулканизм гавайского типа. С течением времени базальтовая магма, заполняющая образовавшуюся трещину, должна остывать и кристаллизоваться в габбро. Если после полной кристаллизации базальтовых расплавов в подводящем канале литосферная плита на некоторой широте φ вновь спаивается в единую упругую оболочку, то на этот раз она приобретает уже кривизну эллипсоида вращения Земли на той же самой широте φ. Поэтому при расчёте возникающих в движущейся плите новых напряжений на более высоких широтах необходимо уже учитывать параметры не экваториального сечения Земли, а сечения, проходящего через широту φ и оба полюса вращения плиты. Полное восстановление единства Тихоокеанской плиты, с восстановлением её упругих свойств в месте старого разрыва, судя по карте гравитационных аномалий, в осреднённом виде изображённой на рис. 70, по-видимому, происходит только на широтах около φ ~ 26° с. ш. В этом случае к моменту перемещения плиты на широты около 40° с. ш. в её теле вновь нарастают напряжения, близкие к пределу прочности литосферы (по гравитационным данным около 47 бар). Но, как мы знаем, второй раз Тихоокеанская плита все-таки не раскалывается, вероятно, из-за быстрого снятия напряжений в связи с уменьшением её линейных размеров в северной части Тихого океана. Тем не менее не исключено, что сравнительно молодая структура Императорского трога на дне этой части океана как раз и образовалась благодаря развитию начальных стадий растяжения плиты, не дошедших, однако, до полного её разрыва.
Таким образом, из приведённых оценок видно, что, несмотря на малость эксцентриситета эллипсоида вращения Земли, мембранный эффект, связанный с деформациями литосферных плит, перемещающихся по его поверхности, геологически весьма ощутим и может приводить к разрывам крупных плит. В дальнейшем эти плиты вновь восстанавливают своё единство (за счёт охлаждения и кристаллизации заполнявших разломы магм), однако оставшиеся на их поверхности шрамы в виде цепочек потухших вулканов, действовавших когда-то на критических широтах около 18-20°, чётко отмечают след «бегущих» трещин движущихся плит. Таким же путём и «бегущая» трещина в теле Тихоокеанской плиты оставила неизгладимый след в виде цепи островов Гавайского архипелага и подводных вулканических построек Гавайского и Императорского хребтов. Но эти хребты и острова вовсе не являются следами так называемых «горячих точек».
Физических основ и соответствий с геологическими данными у этой идеи не более, чем у гипотезы «расширяющейся Земли». Начнём с геологических данных. Обычно в вулканах, ассоциируемых с «горячими точками», изливаются щелочные базальты. Однако известно (Грин, Рингвуд, 1968, 1970), что такие базальты выплавляются в области существования шпинелевых пиролитов (лерцолитов) при околосолидусных температурах, т. е. магмы щелочных базальтов являются не горячими, а предельно остывшими расплавами, которые могут существовать только непосредственно под подошвой литосферы при малой степени парциального плавления мантийного вещества. При высоких температурах, существенно превышающих солидус мантийного вещества, т.е. при высоких степенях парциального плавления пиролита, должны были бы выплавляться пикритовые базальты или даже коматииты. Об этом же говорят и эксперименты по фракционной кристаллизации базальтовых магм. Действительно, щелочные базальты возникают только как остаточные жидкости при охлаждении и кристаллизации исходных оливин-базальтовых магм в условиях повышенных давлений (Иодер, Тилли, 1965), соответствующих РТ-условиям, существующим непосредственно под зрелыми океаническими плитами возрастом от 20 до 100-120 млн лет и мощностью 40-80 км.
Температура щелочных лав, извергающихся в вулканах «горячих точек» обычно лежит в пределах 1100-1200 °С, тогда как приведённое к поверхности значение адиабатической температуры мантии приблизительно равно 1 320 °С, а её пересечение с экспериментально определённой температурой плавления мантийного вещества происходит на глубинах около 80 км (см. рис. 58). Следовательно, только в пределах этих глубин и могло происходить зарождение самих базальтов.
Рисунок 58. Распределение температуры в мантии и фазовые переходы в мантийном веществе:
TS — температура солидуса мантийного вещества (с использованием данных Green, Ringwood, 1967 и Takahashi, 1986); TM — адиабатическая температура конвектирующей мантии (Сорохтин, 2001); TCont — континентальная геотерма под архейскими кратонами (Сорохтин и др., 1996); крапом показана область существования ювенильных расплавов в мантии. Экзотермические фазовые переходы: I — переход от плагиоклазовых к пироксеновым лерцолитам (Lpx); II — переход от пироксеновых к гранатовым лерцолитам (Lgr); IV — переход оливинов (а) к структурам шпинели (γ и β); V — переход кремнезема в структуру стишовита (St) и пироксенов в структуру ильменита (Ilm). Эндотермические переходы: III — предполагаемый переход от жёсткого поликристаллического вещества к его пластичному состоянию; VI — переход пироксенов в структуру перовскита (Pv) и магнезиовюстита (Mw). Фазовые переходы I и II построены по данным Грина и Рингвуда (1967), обобщённые переходы IV, V и VI — по данным Кускова и Фабричной (1990).
Если бы магматические струи — плюмы зарождались в нижней мантии, как предполагали создатели гипотезы «горячих точек», например, на глубине 1 000 км (это только верхняя часть нижней мантии), то именно на такой глубине возникали бы и сами очаги первичных расплавов. Учитывая, что на этих глубинах температура плавления силикатов достигает 3 500 °С, легко определить, что, попадая на поверхность температура этих расплавов равнялась бы примерно 2 100 °С, т.е. оказывалась бы перегретой приблизительно на 800 °С по сравнению с реальными температурами щелочных базальтовых лав! Такого не происходило даже в архее, когда мантия была перегретой на 300-500 °С и в обилии порождала коматиитовые расплавы.
Не увенчались успехом и все попытки установления с помощью сейсмических методов магматических струй или плюмов перегретого вещества в глубокой мантии под Гавайскими островами: никаких аномалий в подлитосферной мантии там обнаружить так и не удалось. По этому поводу Д. Браун и А. Массет, авторы книги «Недоступная Земли» (1984), отмечают, что сейсмические исследования не подтверждают существования в мантии плюмов.
Противоречит гипотеза «горячих точек» и проявлениям вулканизма на Гавайских островах, для объяснения которого она и была предложена. Так, по геологическим данным установлено, что основная фаза вулканизма, сформировавшая о. Оаху, закончилась около 3 млн лет назад. С тех пор произошла эрозия острова, сформировались поверхности выравнивания и глубокие эрозионные долины, но в течение более чем 2 млн лет никакой вулканической деятельности там больше не происходило. Однако уже в четвертичное время, около нескольких сотен тысяч лет назад, вулканическая активность внезапно вновь проявилась и закончилась лишь около 30 тыс. лет назад, сформировав свежие излияния и вулканические постройки гонолулской серии. За 2 млн лет перерыва вулканической деятельности существовавший ранее магматический канал должен был бы полностью раскристаллизоваться и прочно затампонироваться. Но чем тогда можно объяснить новую очень короткую вспышку вулканизма на о. Оаху? Новым «прожиганием» литосферы над новой «горячей точкой»? Ведь старая «горячая точка» в это же самое время продолжала «действовать» на южном острове архипелага Гавайи, тогда как о. Оаху за эти 2-3 млн лет переместился к северо-западу от места активного вулканизма приблизительно на 200-300 км. По-видимому, такой короткий импульс повторного вулканизма Гонолулской серии (после длительного перерыва вулканической активности) можно объяснить только повторным образованием трещины в литосферной плите под о. Оаху.
Теперь кратко о физических основах «горячих точек». Начнём с того, что идея таких точек полностью несовместима с концепцией конвектирующей мантии, лежащей в основе хорошо обоснованной теории тектоники литосферных плит. Ведь в охваченной конвективными движениями мантии, будь то тепловая или тем более химико-плотностная конвекция, распределение температуры всегда близко к адиабатическому с приведённой к поверхности температурой около 1 320 °С. Следовательно, в такой мантии глубже 80 км (т. е. глубже перехода шпинелевых лерцолитов в гранатовые) никаких ювенильных расплавов существовать не должно (см. рис. 66). Тем более этот запрет полностью относится к нижней мантии. Кроме того, в конвектирующей мантии происходит постоянное перемешивание вещества, и поэтому совершенно исключается предположение о существовании в её глубинах каких-либо участков локального перегрева вещества на 1000-2000 °С. Для этого потребовались бы природные радиоактивные реакторы, с ураганными концентрациями в них радиоактивных элементов. Но в мантии таких элементов очень мало, к тому же они более или менее равномерно распределены по всему мантийному веществу, а их вклад в эндогенные энергетические процессы не превышает 8-10 %.
Рисунок 66. Механизм разрушения суперконтинента за счёт возникновения под ним нового восходящего мантийного потока вместо существовавшего ранее нисходящего потока
Предвидя возражения, с напоминанием о генерации кимберлитовых, лампроитовых, карбонатитовых и щёлочно-ультраосновных магм на глубинах больших 80 км и вплоть до 250 км. Обратим внимание на то, что температуры этих магм не превышают 1000-1100 °С, а происхождение всех этих экзотических расплавов легко может быть объяснено переплавлением докембрийских водонасыщенных и богатых окислами железа карбонатно-силикатных океанических осадков, затянутых на такие глубины под архейские континенты по древним зонам поддвига плит (О. Сорохтин, Ф. Митрофанов, Н. Сорохтин, 1996). Возможность затягивания железистых (тяжёлых) осадков на такие глубины была показана в работе А. С. Монина и О. Г. Сорохтина (1986), а температура плавления водонасыщенных осадков даже при давлениях около 50-70 кбар, как известно, не превышает 600-900 °С.
Для того чтобы проплавить вещество литосферы, необходимо подвести к её подошве достаточный запас тепла. Если считать, что «прожигание» узкого магматического канала происходит теми же магмами, которые поступают в вулканический канал, то исходная температура таких магм опять должна была бы превышать температуру астеносферы на те же 1000-1500 °С, а это, как показано выше, полностью исключается. С точки зрения гидродинамики узкие плюмы не могут порождаться и самим конвективным массообменом в мантии, так как для этого опять потребовался бы перегрев их вещества на многие сотни градусов, а вместо щелочных лав в вулканах, расположенных над такими горячими плюмами, изливались бы только коматииты.
Иногда в качестве доказательства существования «горячих точек» и привноса в них вещества из более глубокого «недеплетированного» резервуара мантии приводят стронциевые отношения 87Sr/86Sr = 0,7030-0,7036, слегка, но всё-таки заметно превышающие таковое для толеитов срединно-океанических хребтов 87Sr/86Sr = 0,7027. Но эту разницу изотопных отношений легко объяснить и без привлечения таких механизмов дифференциации, как плюмы «горячих точек». Действительно, фракционное плавление мантийного вещества на глубинах подлитосферной мантии при умеренных давлениях (от 7 до 20 кбар) и близких к солидусу температурах, прежде всего, приводит к расплавлению щелочных пироксенов, содержащих и радиоактивный рубидий 87Rb. При этом в расплав переходит избыточный радиогенный 87Sr, который накапливался в кристаллических решётках таких пироксенов (за счёт распада 87Rb) ещё до момента попадания данной порции мантийного вещества на уровень астеносферы. При меньших же давлениях и большем парциальном плавлении мантийного вещества под срединно-океаническими хребтами уже в большей мере переходят в расплав кальциевые пироксены и полевые шпаты (основные носители стронция), «запомнившие» отношения 87Sr/86Sr со времени предыдущего цикла расплавления мантийного вещества в астеносфере, происходившего ещё в прошлом конвективном цикле, характеризовавшемся меньшими значениями таких отношений.
Таким образом, магматизм так называемых «горячих точек» на поверку оказывается предельно холодным и никак не связанным с глубокой (нижней) мантией. Поэтому все многочисленные попытки определить по «горячим точкам» абсолютные перемещения литосферных плит оказываются построенными на песке. Но в чем же тогда скрыта истинная причина появления внутриплитового магматизма? Сегодня на этот вопрос можно ответить уверенно и однозначно: внутриплитовый магматизм появляется только в тех случаях и только тогда, когда в литосферной оболочке возникают сквозные трещины, дренирующие верхние слои астеносферы и заполняемые поступающими из них расплавами. Отсюда следует, что как океанический, так и континентальный рифтогенез возникают только при расколах литосферных плит под влиянием растягивающих напряжений, как это и следует из модели пассивного рифтогенеза Ю. Г. Леонова (2001). При таком механизме возникновения внутриплитового магматизма его геохимия и термодинамика определяются только давлением и температурными условиями в подлитосферной мантии, а также глубиной проникновения в неё дренирующих трещин. С этим механизмом оказываются полностью согласованными большинство геологических данных по магматизму такого типа и экспериментальные результаты по плавлению пиролита (лерцолитов) при разных РТ-условиях. При этом не требуется привлечения каких-либо дополнительных гипотез. Единственный остающийся вопрос — это выяснение механизмов возникновения самих расколов и трещин в литосферной оболочке Земли.
Такие расколы, естественно, могут возникать и под влиянием конвективных течений в мантии (пример тому — Восточно-Африканская рифтовая система), а также под влиянием столкновения плит и давления со стороны соседних плит (как это происходит в Восточной Азии и Забайкалье). Но такие расколы не создают иллюзий стоящих на месте магматических центров типа Гавайских вулканов. В этом отношении плодотворной является гипотеза Д. Таркота и Е. Оксбурга (1978), согласно которой литосферные плиты, перемещаясь по поверхности горячей мантии, вынуждены приспосабливаться к переменной кривизне эллипсоида вращения Земли. И хотя радиусы кривизны литосферных плит при этом меняются несущественно (всего на доли процента), их деформация вызывает в теле крупных плит появление избыточных напряжений растяжения или сдвига порядка сотен бар. При наличии в астеносфере жидких расплавов, способных заполнять собой образующиеся трещины и принимать на себя всестороннее гидростатическое давление вышележащих пород, такие напряжения достаточны для полного раскола литосферы от её основания и до поверхности.
Если же теперь крупная литосферная плита, например Тихоокеанская, перемещается из низких широт в более высокие, то в теле такой плиты должны постепенно нарастать напряжения растяжения (рис. 69). После достижения ими предела прочности пород на разрыв в литосферной оболочке, лежащей на пропитанном жидкими базальтовыми расплавами астеносферном слое, будет происходить раскол и образование заполняемой этими же расплавами трещины. В результате базальтовым магмам открывается доступ из-под подошвы литосферы на её поверхность с образованием вначале покровных излияний, а затем и вулканических построек. При длительном действии такого механизма на критических широтах около 18-20° с. ш. (на которых напряжения растяжения достигают предела прочности пород на разрыв) возникнет «бегущая» трещина, на острие которой постоянно будут происходить излияния базальтовых лав.
Рисунок 69. Растяжение и раскол жёсткой литосферной плиты при её движении с юга на север по поверхности эллипсоида вращения Земли:
1 — направление движения плиты; 2 — напряжения растяжения; 3 — напряжения сжатия; 4 — «бегущая» трещина растяжения; 5 — зона сдвиговых деформаций в области сжатия плиты.
В 1990 г. одному из авторов монографии (О. Г. Сорохтину) посчастливилось опускаться на глубоководном обитаемом аппарате «Мир» на дно Тихого океана к югу от действующего подводного вулкана Лоихи (расположенного южнее о. Гавайи), вблизи от начала вновь формирующейся трещины раскола литосферы. В месте погружения совершенно свежие и ещё не присыпанные осадками базальтовые лавы с подушечной текстурой залегают в виде покрова непосредственно на осадках. В центральных частях этого покрова отчётливо видны открытые трещины — гъяры метровых размеров, явные следы растяжения пород. К северо-западу площадь и мощность базальтовых покровов последовательно возрастала, пока постепенно не перешла в подножие молодого подводного вулкана Лоихи. По нашему мнению, наблюдавшаяся картина базальтовых излияний к югу от Гавайских островов практически однозначно свидетельствует о функционировании здесь механизма разрыва Тихоокеанской литосферной плиты, а не её проплавления мантийным веществом «горячей точки». Если после залечивания первого разлома (благодаря охлаждению и полной кристаллизации магмы в подводящем канале) напряжения растяжения все-таки продолжают возрастать (за счёт продолжающегося изменения кривизны перемещающейся литосферной плиты), то может возникнуть новая трещина и произойти повторный импульс вулканизма, как это и наблюдалось в голоцене на о. Оаху в Гавайском архипелаге.
После полного развития раскола кривизна литосферы вновь приспосабливается к форме эллипсоида вращения Земли, напряжения в ней исчезают, а базальтовые магмы, когда-то внедрившиеся в образовавшиеся трещины, полностью остывают, кристаллизуются и вновь спаивают воедино расколовшуюся было литосферную плиту. Однако остающиеся на её поверхности потухшие вулканы чётко отмечают путь движения плиты над критической широтой (но не долготой и тем более не над «горячей точкой»!).
При движении плит из высоких широт в низкие вместо напряжений растяжения в них появляются напряжения сжатия (действующие в широтном направлении), и как следствие в таких плитах возникает ортогональная система сдвиговых деформаций, ориентированная под углом 45° к направлению главных сжимающих напряжений. В узлах сети сдвиговых деформаций (на пересечении сдвигов) возникают, как правило, изолированные каналы — зияния, по которым происходят вулканические извержения, создающие затем площадные группы вулканических островов. Как и в предыдущем случае, эти острова также формируются в основном на критических широтах (но не долготах!). Если взять в пример Тихоокеанскую плиту, то архипелаги таких островов возникают приблизительно на 25-30° ю. ш. и всегда тяготеют к ослабленным зонам трансформных разломов. На этих же широтах в середине мелового периода возникли многочисленные вулканические острова, превратившиеся в позднем мелу в плосковершинные подводные горы — гайоты (Богданов и др., 1990). К настоящему времени все гайоты этого возраста уже переместились в Северное полушарие.
Посмотрим теперь с количественной точки зрения, насколько мембранная гипотеза отвечает реальной обстановке возникновения внутриплитового вулканизма гавайского типа на Тихоокеанской плите. Для расчёта используем параметры эллипсоида вращения Земли: экваториальный радиус Rэ = 6378,16 км, полярный радиус Rп = 6356,78 км. Как видно из этих данных, эксцентриситет эллипсоида вращения Земли очень небольшой, всего е =1/298,3. Это позволяет приближённо решать задачу о деформациях перемещающихся по поверхности Земли литосферных плит с использованием только упрощённых моделей.
Рассмотрим опять движение крупной литосферной плиты от экватора на север. При этом благодаря жёсткости плиты и разности радиусов её кривизны на экваторе и на более высоких широтах в её центральной части возникает подобие арки амплитудой в сотни метров и более (на полюсе высота такой «арки» превышала бы 21 км). Если в качестве примера взять Тихоокеанскую плиту и учесть, что на её флангах (по краям плиты) отсутствуют упоры, поскольку в этих местах плита по зонам субдукции погружается в мантию или только формируется в рифтовых зонах, то оказывается, что у такой плиты не может возникнуть арочный эффект сжатия. Наоборот, у такой плиты должна наблюдаться обратная картина — растяжение за счёт её соскальзывания с астеносферного выступа под аркой. Согласно расчётам (Сорохтин, Ушаков, 1993), учитывающим размеры
Тихоокеанской плиты, превышающие 11 тыс. км, и её упругое сжатие, высота такой «арки» в центре плиты могла бы превышать несколько сотен метров. Судя по широкой положительной гравитационной аномалии в свободном воздухе амплитудой около 10 мГал, протянувшейся строго по центральной зоне Тихоокеанской плиты в северо-западном направлении от экватора до широты Гавайских островов, и широким депрессиям гравитационного поля (до −20 мГал) на флангах этой плиты (рис. 70), суммарная высота её «арки» достигает 330 м. Возникающие при этом напряжения растяжения в своде такой «арки» на 18-20° с. ш. (т. е. как раз в зоне развития упоминавшихся выше базальтовых покровов к югу от о. Гавайи) достигают −70 бар. Для сравнения напомним, что, судя по интенсивности большинства землетрясений и размерам их очаговых зон, подвижки (разломы) в горных породах происходят при избыточных напряжениях порядка нескольких десятков бар. В присутствии же жидкого базальтового расплава, воспринимающего на себя литостатическое давление пород, их прочность оказывается существенно сниженной.
Рисунок 70. Карта осреднённых по 10-градусной сетке гравитационных аномалий в редукции свободного воздуха для Тихого океана
(Geodynamic map, 1985)
Интересно отметить, что в южной котловине Тихого океана, где литосферная плита движется из высоких широт в низкие, как и следует из гипотезы мембранной тектоники, в центре плиты располагается пологая отрицательная гравитационная аномалия в свободном воздухе, а по её периферии, наоборот, положительные аномалии. Общий размах аномалий достигает все тех же 30 мГал. Следовательно, относительная амплитуда прогиба плиты здесь также достигает 330 м, а напряжения сжатия (и сдвига) +70 бар.
Из приведённых примеров расчёта видно, что возникающих за счёт мембранного эффекта напряжений в Тихоокеанской плите достаточно для её разрыва и возникновения в ней крупных трещин — подводящих магматических каналов. Ширину образующихся трещин можно определить по относительным деформациям плиты с учётом её упругих и прочностных свойств. Проведённые оценки показывают, что ширина трещины растяжения Тихоокеанской плиты на 20° с. ш. уже может достигать 1,3 км. В реальных условиях, однако, ширина трещины будет ещё большей, поскольку значение «долговременного» модуля упругости (благодаря релаксационным явлениям в породах литосферы) всегда оказывается существенно меньшим принятого в расчёте его «мгновенного» значения. Естественно, такие широкие трещины являются великолепными подводящими каналами для базальтовых магм, поднимающихся из-под расколовшейся литосферы на её поверхность, чем в конечном итоге и объясняется внутриплитовый вулканизм гавайского типа. С течением времени базальтовая магма, заполняющая образовавшуюся трещину, должна остывать и кристаллизоваться в габбро. Если после полной кристаллизации базальтовых расплавов в подводящем канале литосферная плита на некоторой широте φ вновь спаивается в единую упругую оболочку, то на этот раз она приобретает уже кривизну эллипсоида вращения Земли на той же самой широте φ. Поэтому при расчёте возникающих в движущейся плите новых напряжений на более высоких широтах необходимо уже учитывать параметры не экваториального сечения Земли, а сечения, проходящего через широту φ и оба полюса вращения плиты. Полное восстановление единства Тихоокеанской плиты, с восстановлением её упругих свойств в месте старого разрыва, судя по карте гравитационных аномалий, в осреднённом виде изображённой на рис. 70, по-видимому, происходит только на широтах около φ ~ 26° с. ш. В этом случае к моменту перемещения плиты на широты около 40° с. ш. в её теле вновь нарастают напряжения, близкие к пределу прочности литосферы (по гравитационным данным около 47 бар). Но, как мы знаем, второй раз Тихоокеанская плита все-таки не раскалывается, вероятно, из-за быстрого снятия напряжений в связи с уменьшением её линейных размеров в северной части Тихого океана. Тем не менее не исключено, что сравнительно молодая структура Императорского трога на дне этой части океана как раз и образовалась благодаря развитию начальных стадий растяжения плиты, не дошедших, однако, до полного её разрыва.
Таким образом, из приведённых оценок видно, что, несмотря на малость эксцентриситета эллипсоида вращения Земли, мембранный эффект, связанный с деформациями литосферных плит, перемещающихся по его поверхности, геологически весьма ощутим и может приводить к разрывам крупных плит. В дальнейшем эти плиты вновь восстанавливают своё единство (за счёт охлаждения и кристаллизации заполнявших разломы магм), однако оставшиеся на их поверхности шрамы в виде цепочек потухших вулканов, действовавших когда-то на критических широтах около 18-20°, чётко отмечают след «бегущих» трещин движущихся плит. Таким же путём и «бегущая» трещина в теле Тихоокеанской плиты оставила неизгладимый след в виде цепи островов Гавайского архипелага и подводных вулканических построек Гавайского и Императорского хребтов. Но эти хребты и острова вовсе не являются следами так называемых «горячих точек».