На Земле существует «призрачный шлейф», деформирующий внутренние слои планеты

Фото из открытых источников

Земля выбрасывает в космос примерно 47 тераватт тепла — ничтожно мало по сравнению с солнечным излучением, но это жизненно важно для тектоники плит, вулканической активности и магнитного поля. Считается, что этот поток тепла медленно поднимается вверх за счет конвекции в мантии, подобно пару, просачивающемуся сквозь густой суп.

В новом исследовании предполагается, что часть тепла перемещается по скоростным каналам, известным как колонны мантийных плюмов, — концепция, впервые предложенная У. Джейсоном Морганом в 1971 году. Результаты исследования опубликованы в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Теперь исследователи сообщают о первом «призрачном шлейфе», не имеющем признаков вулканической активности на поверхности, скрывающемся под восточными пустынями Омана.

Ведущий автор исследования Симоне Пилия из Университета нефти и минералов имени короля Фахда проанализировал тысячи сигналов землетрясений и назвал погребенный столб плюмом Дани в честь своего сына.

Обычно плюмы достигают поверхности и формируют такие геологические образования, как на Гавайях или в Йеллоустоне, но в Омане нет свежих лавовых полей. Это отсутствие делает плюм Дани призраком: он достаточно горячий, чтобы размягчить породу, но недостаточно горячий, чтобы пробить толстый континентальный слой.

«Чем больше доказательств мы собирали, тем больше убеждались, что это сейсмический шлейф», — сказал Пилия. Его команда проследила происхождение шлейфа до глубины не менее 660 километров, где сейсмические волны замедлялись, образуя аккуратный цилиндр шириной около 200 километров. 

Независимые исследования показали, что переходная зона мантии деформировалась вниз на глубине 410 километров и снова поднялась на глубине 660 километров, что дает классический тепловой след поднимающегося материала.

Поиски сейсмических волн основывались на сейсмической томографии — земном аналоге компьютерной томографии, которая преобразует колебания землетрясения в трехмерные карты скоростей. Повышение температуры примерно на 93 °C может снизить скорость поперечных волн примерно на три процента.

В Омане скорость сдвига внутри колонны снизилась на эту величину, что указывает на избыточную температуру примерно в 93–260 °C. Этого достаточно, чтобы размягчить перидотит, но все еще ниже порога плавления под литосферой толщиной 209 километров.

Саския Гоэс из Имперского колледжа Лондона, не принимавшая участия в работе, проанализировала данные и назвала обнаружение «правдоподобным», отметив, что узкие колонны, как известно, очень трудно визуализировать.

Даже без лавы существуют поверхностные признаки. Плато Салма на востоке Омана поразительно высокое, его высота превышает 1980 метров, несмотря на незначительное сокращение земной коры.

Исследования с использованием GPS и изучение береговой линии показывают, что береговая линия продолжает подниматься со скоростью менее 0,04 дюйма (0,1 сантиметра) в год. Простейшее объяснение этому явлению — динамическая поддержка со стороны горячей, плавучей мантии на глубине.

Аналогичное поднятие наблюдается в районе Йеллоустона, где хорошо известный плюм подпитывает долгоживущую вулканическую и гидротермальную активность на западе Америки. Более спокойное поднятие Омана предполагает, что плюмы могут поднимать земную кору, даже если они остаются запертыми глубоко под твердой породой.

Геологические реконструкции указывают на то, что плюм Дани подошел под Индийскую плиту около 40 миллионов лет назад, что совпало с небольшим изгибом Индийской плиты в восточном направлении. Группа исследователей под руководством Пилиа утверждает, что вязкое сопротивление потока плюма подталкивало плиту, словно некая скрытая рука.

Расчеты крутящего момента, проведенные в исследовании, показывают, что канал шириной около 200 километров, перемещающий несколько кубических миль горячей породы в год, мог бы обеспечить необходимую силу. Ни одно другое близлежащее тектоническое событие не объясняет время так точно.

Если один амагматический плюм способен направлять движение континентов, то множество скрытых плюмов, возможно, незаметно влияли на движение тектонических плит в прошлом Земли.

Мантия Дани также имеет значение для теплового баланса Земли. Если множество подобных столбов обходят медленную конвекцию в мантии, то больше тепла, чем ожидалось, будет поступать непосредственно из ядра, что потенциально сократит оценки того, как долго может продолжать работать внутренний динамо-механизм.

В будущем комплексы донных сейсмометров и спутниковые гравиметрические миссии смогут обнаружить другие скрытые сейсмические шлейфы под мощными кратонами или древними океаническими бассейнами, что позволит уточнить модели, связывающие глубинные процессы Земли с поверхностными опасностями и формированием ресурсов.

Новые данные свидетельствуют о том, что плюм Дани, возможно, берет свое начало в том же глубоком резервуаре, что и плюм Афар, расположенный под Африканским Рогом.

Сейсмические изображения, полученные с помощью глобальной томографической модели DETOX-P3, показывают, что оба плюма могут быть ветвями более широкой низкоскоростной структуры на границе ядра и мантии, которая простирается на тысячи километров по нижней мантии.

Эта древовидная структура подтверждает растущие теории о том, что мантийные плюмы могут подниматься не в виде изолированных столбов, а как части взаимосвязанных сетей суперплюмов.

В таком случае, такие горячие точки, как Афар, Йеллоустон, а теперь и Оман, могут иметь общее происхождение, связывая поверхностную активность на разных континентах с едиными источниками в глубинах Земли.

Традиционные методы обнаружения мантийных плюмов в значительной степени основаны на поверхностном вулканизме, который может не учитывать особенности, скрытые под толстой континентальной корой.

Плюм Дани показывает, что полагаться только на лавовые потоки и вулканические породы может привести к тому, что будут упущены из виду основные факторы, определяющие внутреннюю динамику Земли.

Вместо этого, сочетание сейсмической томографии, анализа движения тектонических плит и топографических сигналов открывает новые возможности для выявления скрытых шлейфов.

Такой междисциплинарный подход может помочь исследователям обнаружить больше скрытых структур в местах, которые ранее считались свободными от теплового шлейфа, тем самым изменив наши представления о картировании теплового потока от ядра Земли к ее поверхности.