Сейсмотомографические исследования показывают, что верхней границей мантийного плюма не обязательно должна быть поверхность Земли. Анализ изображений плюмов на модели PRI-P05 показал, что многие плюмы меняют свои свойства на 670-километровой границе. Важная роль этого фазового перехода, как границы для плюмов становится все очевиднее.
На рис. 1 приводится пример сопротивления проникновению плюма в верхнюю мантию. Большая аномалия у границы ядро-мантия (ГЯМ) связана с Африканским суперплюмом. Температура расчитывалась в предположении перовскит-магнезиовюститового состава, что, возможно, не корректно для самых глубинных частей мантии; это следует из возрастания амплитуды как горячих аномалий, так и холодных аномалий. Канары воздымаются благодаря суперплюму. Изображение плюм Капе-Верде, расположенного южнее, имеет меньшую разрешающую способност и может быть артифактом.
Рисунок 1. Два вертикальных разреза через комплексную Canary/Cape Verde систему плюмов. Аномалии скорости исходной модели PRI-P05 преобразованы в аномалии температуры в предположении перовскит – магнезиовюститовой минералогии (Рис. 4). Вертикальная ось – радиус Земли в диапазоне 3480 км (граница мантия – ядро) – 6371 км (поверхность Земли). 670 – километровая граница обозначена тонкой линией на отметке R=5700 км. Ориентация плоскостей разреза запад – восток (левый разрез) и юг – север (правый разрез), но плоскости разрезов слегка искажены за счет того, что они ориентированы по направлению максимума температурной аномалии. Линия, обозначенная точками на левом рисунке обозначает долготу правого изображения на соответствующей глубине, и наоборот, для широт на левом рисунке. На нижних рисунках представлены результаты разрешающей возможности, применительно к изображению плюма. Изолиниями обозначен синтетический плюм, для которого расчитаны искусственные задержки времени. Цветной шкалой представлены результаты инверсии. Отметим, что цветовая шкала для разрешения дисретная и изолинии представлены с шагом от 40К до 70К. Разрешение в основании правого изображения убедительно указывает на то, что Cape Verde и Canary действительно отдельные плюмы (на широтах 15N и 28N, соответственно), но томографическое изображение смазывает их в одно целое в итервале радиусов 4900 и 5600 км (глубины 800-1500 км).
На 670 км плюм внезапно меняет свои характеристики и становится очень слабым в верхней мантии. Изменение характеристик плюма сложно объяснить плохой разрешенностью, так как над вершиной плюма развернуты широкополосные станции (TBT и SACV) и несколько ISC станций на острове Капе-Верде, наблюдения на которых подтверждены тестом на разрешение. Отметим, что даже верхнемантийный сигнал под Азорами выявляет аномалию, несмотря на снижение разрешения.
На рис.2 показаны еще четыре плюма, которые расширяются или отклоняются при достижении 670 километровой границы.
Рисунок 2. Четыре примера плюмов, которые расширяются или даже развевляются ниже 670 километровой границы. Проверка разрешения показывает, что расширение или отклонение в верхней части мантии надежно установлено для каждого из этих плюмов.
Температурная шкала та же, что и на Рис. 1.
Анализ разрешенности показывает, что расширение под 670 км границей – это не артифакт. В случае Таити и Пасхи плюмы прорываются сквозь границу и достигают поверхности Земли. Очевидная неуверенность некоторых плюмов преодолеть транзитную зону похожа на поведение некоторых субдуцируемых плит, которые размещаются в транзитной зоне до того, как прорываются через нее и погружаются в нижнюю мантию. Растекание вещества плюма в мезосфере, которое наблюдаеся на моделяъ рисунка 2, было гипотетически предсказпно Allegre [C. Allegre, Isotope geodynamics, Earth Planet. Sci. Lett. 86 (1987) 175–203], для того, чтобы объяснить характеристики базальтов. Одако ситуация не универсальная.
Фактически, некоторые плюмы, кажется, не испытывают большого сопротивления, как показано на рис. 3, ситуация также напоминает ту, что наблюдается для плит.
Рисунок 3. Плюмы, которые встретили небольшое сопротивление на 670 километрах или которые смогли даже прорваться через эту границу. Температурная шкала та же, что и на Рис. 1.
Такие как Bouvet, Hainan, Hokkaido или Juan Fernandez проявляют себя как пятна только под 670 км границей, а плюмы Afar, Kerguelen, Bowie, Galapagos and Iceland кажутся изогнутыми каплями, проникающими в верхнюю мантию.
Теоретически, отрицательная петля Клайперона фазоваго перехода на глубине 670 км предполагает сопротивление проникновению вниз холодного материала и вверх горячего. Ситуация не полностью симметричная, так как фазовая взаимодействие может быть различным при холодной и горячей температуре проникающего материала. Максимальная температурная аномалия в центральной части плюмов меньше, чем минимальная температурная аномалия в центре плиты, большая вязкость плиты может обеспечить большее давления для проникновения сквозь 670 км границу, которое может быть большей помощью при проникновении, чем та помощь, которую плюмы должны были бы получать для проникновения вверх, и которая создается, когда содержащийся в них перовскит переходит в вадслейит (wadsleyite). Но даже, если бы плюмам было бы легче чем плитам проникать сквозь границу, то требование сохранения массы подсказывает, что либо весь материал проникшей в нижнюю мантию плиты будет скомпенсирован эквивалентным количеством материала восходящего плюма, либо 670 км граница временно переместится на большую глубину (в зависимости от кинематики фазового перехода), что уменьшит плавучесть плюма и индуцирует сопротивление в конечном счете. Ряд численных экпериментов действительно показали задержку в подъме плюмов на уровне 670 км границы, особенно для негативной петли Клайперона (−3 MPa/K или более).
Источники:
Nolet, G., Karato, S.-I. & Montelli, R., 2006. Plume fluxes from seismic tomography, Earth planet. Sci. Lett., 248, 685–699.