В последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в построении глобальных томографических моделей мантии Земли в целом. Используются различные фазы объёмных продольных (Р) и поперечных (S) волн, комбинации этих фаз (S, SS-S, ScS-S, sS, sScS, …), а также поверхностные волны (Лява, Релея) и собственные колебания Земли (free-oscillation). Для сбора данных и их обращения применяются различные сейсмотомографические технологии, основанные на лучевом приближении и на конечно – частотном (finite-frequency) приближении.
Приведем неполный список глобальных моделей, построенный в последнее время:
– Berkeley (Беркли): BK-SAW24B16;
– Caltech (Калифорнийский технологический институт): CT-S20RTS;
– Harvard (Гарвард): HRV-S362D1;
– Austin (Остин): S&G;
– Scripps (Скриппса): SB4L18;
– Princeton (Принстон): PRI-S05.
Глобальные томографические модели мантии Земли подвергаются анализу с целью выявления на них низкоскоростных объектов, которые можно отождествить с восходящими плюмами. Имеется понимание физических процессов внутри Земли, которые приводят к образованию плюмов и, соответственно понимание того, как плюмы могут выглядеть на глобальных сейсмотомографических моделях. Возможность поиска плюмоподобных объектов на глобальный сейсмотомографических моделях появилась в связи с тем, что усовершенствование сейсмотомографических технология позволяет картировать вертикальные неоднородности.
Сопоставление выявленных неоднородных низкоскоростных зон в мантии Земли с положением известных горячих точек на поверхности Земли, позволяет отнести некоторые неоднородные зоны к категории мантийных плюмов. На рисунке 1 мы приводим пример глобальных сейсмотомографических моделей PRI-P05 и PRI-S05, построенных по данным продольных и поперечных волн, соответственно.
Рисунок 1. Сейсмотомографические сечения на разных глубинах (900, 1200, 1600, 2000, 2400, 2800 км) в нижней мантии Земли. Скоростные модели S- и Р-волн: PRI-S05, PRI-P05 (Princeton).
На моделях отчетливо выявляются неоднородные области пониженной скорости на различных глубинных уровнях мантии Земли.
Тестирование синтетических плюмов различного радиуса позволяет определить минимальный размер плюма, поддающийся воспроизведению на томографическом изображения. Даже в случае хорошо разрешенных плюмов, их глубины определяются с точностью до нескольких сотен километров.
Чтобы исследовать протяженность наиболее глубоко залегающих скоростных аномалий P-волн и S-волн, эти аномалии были усреднены в нижних 1000 км мантии (в интервале глубин 1800 – 2800 км). Эти усредненные схемы показаны на рисунке 2.
Рисунок 2. Карты скоростных аномалий (а) P-волн и (б) S-волн, осредненных в нижних 1000 км мантии (в интервале глубин 1800 – 2800 км).
Подобное вертикальное усреднение помогает выделить структуры, которые в вертикальном направлении захватывают всю или большую часть нижней мантии. На обеих схемах явно выделяются и доминируют два суперплюма. Аномалия под Африкой распространяется под Европу, в Атлантический океан, на африканский континент и в Индийский океан. Эта аномальная зона получила название “Африканский суперплюм”. Вторая глобальная низкоскоростная аномалия выявлена по Тихим океаном и, поэтому, получила название Тихоокеанский суперплюм.
Африканский суперплюм.
Африканский суперплюм воздымается вверх от самых низов нижней мантии до глубины 1500 км на всех моделях, и даже до 900 км на модели SAW24B16.
Тихоокеанский суперплюм.
Тихоокеанский суперплюм присутствует на всех глобальных, томографических моделях. Как правило, модели различаются в некоторых деталях начертания важнейшей аномальной зоны, тем не менее, все модели указывают на то, что в пределах Тихоокеанского суперплюма отчетливо проявляются плюмы второго уровня, расположенные :
– под Коралловым морем (15°S, 155°Е);
– к востоку от Соломоновых островов (5°S, 165°Е);
– в районах Самоа (15°S, 168° W) и Таити (18°S, 148°W);
– около острова Пасхи (110°W, 25°S).
Рисунок 3. а) Горячии поля мантии Земли” (Зоненшайн, Кузьмин, 1983). б) Низкоскоростные провинции мантии Земли.
По поверхностным проявлениям внутриплитового магматизма за последние 15 млн лет были выявлены 47 горячих точек. Горячие точки группируются в четыре пространные (до 10 тыс. км в поперечнике), компактные зоны. Эти зоны получили название “горячии поля мантии Земли” (Зоненшайн, Кузьмин, 1983):
– Африканская зона;
– Тихоокеанская зоны;
– Центрально-Азиатская зона;
– Тасманская зона (а) .
Границы этих полей примерно совпадают с контурами “низкоскоростных” мантийных провинций (б), выделенных позднее на основе глобальных сейсмотомографических моделей. Глобальные низкоскоростные области в мантии Земли, соответствующее частично расплавленному веществу мантии, и называют суперплюмами.
Связь мантийных суперплюмов с современным проявлением вулканизма подтверждается привязкой их к локализацией на поверхности Земли горячих точек.
Рис. 4. Принципиальная схема соотношения литосферных плит с проекциями на земную поверхность суперсвеллов и зон накопления слэбов в мантии на фазовых переходах и на границе с ядром. 1 – зоны субдукции, 2 – СОХ, 3 – суперсвеллы, 4 – зоны накопления слэбов в мантии. Главные плиты: 1 – Северо-американская, 2 – Северо–Евразийская, 3 – Африканская, 4 – Антарктическая, 5 – Южноамериканская, 6 – Тихо-океанская, 7 – Австралийская
Длительно живущие (до 1 млрд лет) Африканский и Тихоокеанский суперплюмы получили названия суперсвеллы Тузо и Джейсон,соответственно.
Источники.
– Montelli, R., G. Nolet, F. A. Dahlen, and G. Masters (2006), A catalogue of deep mantle plumes: New results from finite-frequency tomography, Geochem. Geophys. Geosyst., 7, Q11007, doi:10.1029/2006GC001248.
– http://scfh.ru/papers/glubinnaya-geodinamika-geodinamika-ili-kak-rabotaet-mantiya-zemli/