Вулканические очаги, такие как остров Вознесения в Южной Атлантике, могут иметь удивительное происхождение, говорится в докладе, опубликованном 6 января.
Ученые долгое время считали, что эти острова подпитываются тепловыми шлейфами, поднимающимися из глубин мантии Земли. Однако, сравнив температуры вулканических горячих точек и срединно-океанических хребтов по всему миру, исследователи обнаружили, что многие из этих так называемых горячих точек на самом деле довольно прохладные.
По словам Каролины Литгоу-Бертеллони, геофизика из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и соавтора результатов исследования, условия в этих местах могут быть недостаточно теплыми, чтобы плюмы могли подниматься из глубинной мантии. Понимание того, как формируются эти загадочные горячие точки, может дать важные подсказки о геологических процессах, происходящих на небольшой глубине под поверхностью Земли, заключили она и ее коллеги.
Большая часть вулканической активности в мире происходит на границах между тектоническими плитами, где находятся подводные горные хребты, называемые срединно-океаническими хребтами. "На этих срединно-океанических хребтах материал, находящийся под корой, на которой мы живем, поднимается, плавится и образует вулканизм, в результате чего плиты расходятся и образуется новое океаническое дно", - говорит Литгоу-Бертеллони. "Это выражение крупномасштабных движений в недрах [планеты]".
Однако в редких случаях вулканы возникают в результате других процессов и могут появляться вдали от срединно-океанических хребтов. К этой второй категории относятся вулканические острова Гавайи и Галапагосы. Наиболее общепринятое объяснение заключается в том, что перегретые плюмы поднимаются с большой глубины, возможно, даже с границы между каменистой мантией и ядром Земли, в этих горячих точках. Эти шлейфы расплавляют окружающую породу, образуя магму, которая в конечном итоге извергается с поверхности. По мере того как тектоническая плита, на которой находится плюм, перемещается, со временем образуется цепочка вулканов.
Ученые обнаружили, что базальтовая порода, образующаяся при остывании лавы в этих местах, отличается по своим химическим свойствам от базальта, образующегося вдоль срединно-океанических хребтов. "Если они действительно происходят из горячего материала, поднимаемого [из] глубины недр, то они дают нам окно в химию недр, к которой у нас нет другого доступа, а также в химическую эволюцию планеты", - говорит Литгоу-Бертеллони.
По ее словам, температура срединно-океанических хребтов должна отражать типичные температуры в мантии. Для того чтобы подняться вверх, плюм должен быть на 100-150 градусов Цельсия (212-302 градуса по Фаренгейту) горячее, чем окружающая порода. "Они должны быть более горячими, чтобы иметь возможность подняться через всю мантию, и, следовательно, более горячими, чем срединно-океанический хребет", - говорит Литгоу-Бертеллони.
Исследователи подсчитали, что базальты горячих точек плавятся при температуре примерно на 100-300 градусов Цельсия (212-572 градуса по Фаренгейту) выше, чем в срединно-океанических хребтах. Однако, по словам Литгоу-Бертеллони, оценки для конкретного горячего пятна часто противоречивы и отражают температуру только в верхней части мантии, гораздо выше глубины, на которой зарождаются плюмы.
Ключом к определению температуры на расстоянии 600 километров (373 мили) под срединно-океаническими хребтами и вулканическими очагами, по ее словам, оказались землетрясения. При каждом землетрясении выделяется огромное количество энергии в виде сейсмических волн. Скорость, с которой эти волны распространяются и доходят до сейсмометров, зависит от состава, глубины и температуры окружающей породы.
Исследователи использовали модель, основанную на сейсмических измерениях со всего земного шара, чтобы определить температуру во всех 46 известных океанических горячих точках. Команда также подсчитала, что средняя температура на срединно-океанических хребтах составляет примерно 1 388 градусов Цельсия (2 530 градусов по Фаренгейту).
Мы обнаружили невероятно интересный и шокирующий факт: большинство "горячих точек" на самом деле не такие уж и горячие, - говорит Литгоу-Бертеллони.
Она и ее коллеги определили три отдельных кластера горячих точек. Остановившись на 26 горячих точках с хорошо задокументированными плюмами, исследователи определили, что 12 из них были действительно горячими, с температурой на 155 градусов Цельсия и более выше, чем в срединно-океанических хребтах. Однако 10 горячих точек были просто теплыми, с температурой от 50 до 136 градусов по Цельсию (122-277 градусов по Фаренгейту) выше температуры срединно-океанических хребтов. Еще в четырех местах было откровенно прохладно, температура была примерно такой же или даже холоднее, чем в срединно-океанических хребтах.
Самое горячее скопление горячих точек включало вулканы Исландии, Самоа, Галапагосов и Гавайев. Теплые горячие точки были обнаружены на Бермудских и Канарских островах, а холодные - в Камеруне, на острове Вознесения и в Большой Метеорной, или Новоанглийской, горячей точке в Северной Атлантике.
"У нас все еще есть горячие точки, и эти горячие точки отражают материал, который находится глубоко и относится к древней области, но их не так много", - говорит Литгоу-Бертеллони. "Остальные отличаются, что означает, что мы находимся на новой территории".
Одно из объяснений заключается в том, что холодные и теплые горячие точки могут зарождаться на относительно небольшой глубине в мантии. "Мы также предположили, что, возможно, эти [глубинные] плюмы зародились горячими, а затем попали в ловушку из холодного материала", - говорит Литгоу-Бертеллони. "Это не останавливает их полностью; они по-прежнему способны подниматься, но они остывают и поднимаются медленнее".
Одним из источников неопределенности в оценках температуры, разработанных исследователями, является то, что землетрясения и сейсмометры, регистрирующие их активность, неравномерно распределены по всему миру. "Поэтому наш охват земных недр не является полным", - признает Литгоу-Бертеллони.
Тем не менее, по ее словам, полученные результаты указывают на то, что вулканические острова, которые выглядят одинаково на поверхности, могут иметь совершенно разное происхождение. В качестве следующего шага исследователи изучат, как различаются вулканические объекты в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах.
"Эти хребты фиксируют древнюю тектоническую историю... планеты", - говорит Литгоу-Бертеллони. Эта история "может быть выявлена по температуре хребтов и по разнице температур между хребтами и горячими точками в океанических бассейнах".