Связь вулканических процессов и водными резервуарами внутри земной мантии

Новости МирТесен

Научные исследования в области геологии показали, что регионы, подвергавшиеся интенсивному проникновению воды с поверхности Земли на протяжении последних четырех столетий, характеризуются повышенной частотой внутриплитных вулканических извержений.

Материал земной коры периодически перемещается глубже под действием тектоники плит и впоследствии возвращается к поверхности посредством вулканической активности и других процессов. Тем не менее, точные детали и темпы этих явлений остаются недостаточно изученными.

Специалисты из Норвегии предприняли попытку разобраться в ряде этих вопросов посредством компьютерного моделирования движения литосферных плит и верхнего отдела земной мантии. Их научная работа, опубликовали в Geochemistry, Geophysics, Geosystems.

От семи километров под океаническим дном до 70 километров под материками располагается граница между земной корой и мантией. Материал в этом слое находится под колоссальным давлением и характеризуется повышенной температурой. Верхняя часть мантии отличается по составу от нижней, что было определено на основе изменения скорости распространения сейсмических колебаний через эти области. Эти два слоя мантии разделяет переходная зона – так называемый слоем Голицына, лежащим между 410 и 670 километрами.

В XXI веке российские и другие ученые выявили, что в слое Голицына содержится значительное количество минералов, содержащих воду. Несмотря на то, что в этом слое не может быть чистого океана из-за высоких температур, его объем воды во много раз превышает объем воды в поверхностных океанах, благодаря его значительной толщине. Предполагается, что вода проникает в этот слой вместе с фрагментами земной коры, которые погружаются вниз в процессе субдукции – явления, при котором одна литосферная плита подвигается под другую, а затем края этой плиты погружаются в мантию.

В рамках нового научного исследования авторами была совмещена карта зон погружения участков земной оболочки в мантию за последние четыре столетия с картой внутриплитного вулканизма. В результате анализа было выявлено четкое соответствие между этими процессами.

Подавляющее большинство сильных землетрясений и извержений на нашей планете локализуются в зонах соприкосновения литосферных плит. Однако существуют аномалии: вулканические острова Канарского архипелага, Гавайи и Таити демонстрируют регулярные мощные извержения, несмотря на отсутствие расположения на границах тектонических пластин. Данный феномен известен как внутриплитный вулканизм, к которому также относят извержение супервулкана Йеллоустон в прошлом, примерно 0,6 миллиона лет назад.

Анализ карт показал, что крупные блоки земной коры, быстро погружавшиеся в слой Голицына (со скоростью, превышающей 10 километров в миллион лет), впоследствии характеризовались более частым внутриплитным вулканизмом. Период между погружением блока в слой Голицына и извержениями над ним варьировался от 10 до 30 миллионов лет. Более того, от 42 до 68% событий внутриплитного вулканизма за последние 200 миллионов лет были связаны с зонами мантии, насыщенными водой.

Наиболее интенсивное погружение участков земной коры, содержащих химически связанную воду, происходило в юрский период. С наступлением мелового периода континенты начали смещаться к областям, где на глубине 410–670 километров под ними находились богатые водой слои мантии. Однако существовали и зоны с ограниченным содержанием воды из-за отсутствия погружения фрагментов земной коры в течение длительного времени.

К подобным областям относятся Южная Африка, страны Западной Европы и северная часть Тихого океана. Наибольшее количество воды оказалось зафиксировано под западными территориями Северной Америки, восточными регионами Австралии и Восточной Азией. В этих районах внутриплитный вулканизм проявлял себя на протяжении последних двухсот миллионов лет.

Исследователи продолжают поиск точных механизмов, посредством которых вода, содержащаяся в мантии, вызывает извержения в континентальной коре. Однако уже известно, что при воздействии высоких температур некоторые минералы, включающие воду, способны выделять ее. Высвобожденный перегретый водяной пар может подниматься, вызывая землетрясения и извержения.

Проведенные норвежскими учеными исследования продемонстрировали, что слой Голицына должен содержать воду с различной степенью концентрации в разных местах. Таким образом, интенсивность внутриплитного механизма значительно варьируется по всему миру не случайно, а вследствие того, что объем воды, питающей его, распределен неравномерно.