Wulkanizm wewnątrzpłytowy

Wulkanizm wewnątrzpłytowy to wulkanizm , który ma miejsce poza obrzeżami płyt tektonicznych . Większość aktywności wulkanicznej ma miejsce na obrzeżach płyt, a wśród geologów panuje powszechna zgoda co do tego, że aktywność tę dobrze wyjaśnia teoria tektoniki płyt . Jednak początki aktywności wulkanicznej w płytach pozostają kontrowersyjne.

Mechanizmy

Mechanizmy, które zaproponowano w celu wyjaśnienia wulkanizmu wewnątrzpłytowego, obejmują pióropusze płaszcza; ruch niesztywny w obrębie płyt tektonicznych (model płyt); i wpływ wydarzeń . Jest prawdopodobne, że różne mechanizmy odpowiadają za różne przypadki wulkanizmu międzypłytowego.

Model pióropusz

Nadpióropusz generowany przez procesy chłodzenia w płaszczu (LVZ = strefa niskiej prędkości )

Pióropusz płaszcza to proponowany mechanizm konwekcji nienormalnie gorącej skały w płaszczu Ziemi . Ponieważ głowa pióropuszu częściowo topi się po osiągnięciu płytkich głębokości, pióropusz jest często przywoływany jako przyczyna gorących punktów wulkanicznych , takich jak Hawaje czy Islandia , oraz dużych prowincji magmowych, takich jak pułapki Dekanu i Syberii . Niektóre takie regiony wulkaniczne leżą daleko od granic płyt tektonicznych , podczas gdy inne reprezentują niezwykle dużą objętość wulkanizm w pobliżu granic płyt.

Hipoteza o pióropuszach płaszcza wymagała stopniowego opracowywania hipotez, co doprowadziło do różnych propozycji, takich jak mini-pióropusze i pulsujące pióropusze .

koncepcje

Pióropusze płaszcza zostały po raz pierwszy zaproponowane przez J. Tuzo Wilsona w 1963 r. ^{[ potrzebne źródło inne niż podstawowe ]} , a następnie rozwinięte przez W. Jasona Morgana w 1971 r. Przypuszcza się, że pióropusz płaszcza istnieje tam, gdzie gorące skały zarodkują ^{[ potrzebne wyjaśnienie ]} w rdzeniu płaszcza granicę i wznosi się przez płaszcz Ziemi, stając się diapirem w skorupie ziemskiej . W szczególności koncepcja, że pióropusze płaszcza są unieruchomione względem siebie i zakotwiczone na granicy rdzenia i płaszcza, dostarczyłaby naturalnego wyjaśnienia postępujących w czasie łańcuchów starszych wulkanów widzianych rozciągających się z niektórych takich gorących punktów, takich jak Hawajski-cesarski łańcuch gór podwodnych . Jednak paleomagnetyczne pokazują, że pióropusze płaszcza mogą być powiązane z prowincjami dużych prędkości o niskim ścinaniu (LLSVP) i poruszają się.

Zaproponowano dwa w dużej mierze niezależne procesy konwekcyjne:

szeroki przepływ konwekcyjny związany z tektoniką płyt, napędzany głównie przez zatapianie zimnych płyt litosfery z powrotem do astenosfery płaszcza
pióropusz płaszcza, napędzany wymianą ciepła przez granicę rdzeń-płaszcz, przenoszący ciepło w górę w wąskiej, wznoszącej się kolumnie, i postulowano, że jest niezależny od ruchów płyt.

Hipoteza pióropusza została zbadana za pomocą eksperymentów laboratoryjnych przeprowadzonych w małych zbiornikach wypełnionych płynem na początku lat siedemdziesiątych. Powstałe w ten sposób pióropusze termiczne lub kompozycyjne dynamicznego płynu zostały przedstawione jako modele znacznie większych postulowanych pióropuszy płaszcza. Na podstawie tych eksperymentów postuluje się obecnie, że pióropusza płaszcza składają się z dwóch części: długiego cienkiego przewodu łączącego górę pióropuszu z jego podstawą oraz bulwiastej głowy, która rozszerza się wraz z unoszeniem się pióropuszu. Uważa się, że cała struktura przypomina grzyba. Bulwiasta głowa pióropusza termicznego tworzy się, ponieważ gorący materiał porusza się w górę przez kanał szybciej niż sam pióropusz unosi się przez otoczenie. Pod koniec lat 80. i na początku lat 90. eksperymenty z modelami termicznymi wykazały, że w miarę rozszerzania się bulwiastej głowy może ona porywać część sąsiedniego płaszcza do głowy.

Rozmiary i występowanie pióropuszy płaszcza grzyba można łatwo przewidzieć za pomocą teorii przejściowej niestabilności opracowanej przez Tana i Thorpe'a. Teoria przewiduje pióropusze płaszcza w kształcie grzyba z głowami o średnicy około 2000 km, których czas krytyczny ^{[ wymagane wyjaśnienie ] wynosi około 830 milionów dolarów dla} strumienia ciepła płaszcza rdzenia wynoszącego 20 mW/m2 ^, podczas gdy czas cyklu ^{[ wymagane wyjaśnienie ]} wynosi około 2 Żyr. Przewiduje się, że liczba pióropuszy płaszcza wyniesie około 17.

Oczekuje się, że kiedy głowa pióropusza napotka podstawę litosfery, spłaszczy się na tej barierze i ulegnie powszechnemu topnieniu dekompresyjnemu, tworząc duże objętości magmy bazaltowej. Może wtedy wybuchnąć na powierzchni. Modelowanie numeryczne przewiduje, że topnienie i erupcja będą miały miejsce przez kilka milionów lat. Te erupcje zostały powiązane z bazaltami powodziowymi , chociaż wiele z nich wybucha w znacznie krótszych skalach czasowych (mniej niż 1 milion lat). Przykłady obejmują pułapki Dekanu w Indiach, pułapki syberyjskie w Azji, pułapki Karoo-Ferrar bazalty / doleryty w Afryce Południowej i na Antarktydzie, pułapki Paraná i Etendeka w Ameryce Południowej i Afryce (dawniej pojedyncza prowincja oddzielona otwarciem południowego Atlantyku) oraz bazalty rzeki Columbia w Ameryce Północnej. Bazalty powodziowe w oceanach są znane jako płaskowyże oceaniczne i obejmują płaskowyż Ontong Java na zachodnim Pacyfiku i płaskowyż Kerguelen na Oceanie Indyjskim.

Uważa się, że wąska pionowa rura lub kanał łączący głowicę pióropuszu z granicą rdzenia i płaszcza zapewnia ciągły dopływ magmy do stałego miejsca, często określanego jako „gorący punkt”. Gdy leżąca powyżej płyta tektoniczna (litosfera) przesuwa się nad tym gorącym punktem, oczekuje się, że erupcja magmy ze stałego przewodu na powierzchnię utworzy łańcuch wulkanów, który jest równoległy do ruchu płyt. Wyspy Hawajskie łańcuch na Oceanie Spokojnym jest typowym przykładem. Niedawno odkryto, że wulkaniczne miejsce tego łańcucha nie zostało ustalone w czasie, i tym samym dołączył do klubu wielu przykładów typów, które nie wykazują pierwotnie zaproponowanej kluczowej cechy.

Erupcja kontynentalnych bazaltów powodziowych jest często związana z pękaniem i rozpadem kontynentów . Doprowadziło to do hipotezy, że pióropusze płaszcza przyczyniają się do pękania kontynentów i tworzenia basenów oceanicznych. W kontekście alternatywnego „modelu płyt”, rozpad kontynentów jest procesem integralnym z tektoniką płyt, a masowy wulkanizm jest naturalną konsekwencją jego rozpoczęcia.

Obecna teoria pióropuszy płaszcza głosi, że wymiana materii i energii z wnętrza Ziemi ze skorupą powierzchniową odbywa się na dwa różne sposoby: dominujący, ustalony reżim tektoniczny płyt, napędzany przez konwekcję górnego płaszcza, oraz przerywany, okresowo dominujący reżim odwracania płaszcza, napędzany przez konwekcja pióropuszowa. Ten drugi reżim, choć często nieciągły, jest okresowo znaczący w budowaniu gór i rozpadzie kontynentów.

Chemia, przepływ ciepła i topienie

hydrodynamiczna pojedynczego „palca” niestabilności Rayleigha-Taylora , możliwego mechanizmu powstawania pióropuszy. W trzeciej i czwartej klatce w sekwencji pióropusz tworzy „czapkę grzyba”. Zwróć uwagę, że rdzeń znajduje się na górze diagramu, a skorupa na dole.

Przekrój Ziemi przedstawiający położenie górnego (3) i dolnego (5) płaszcza, warstwy D ″ (6) oraz rdzenia zewnętrznego (7) i wewnętrznego (9)

Skład chemiczny i izotopowy bazaltów znalezionych w gorących punktach różni się nieznacznie od bazaltów z grzbietu środkowego oceanu. Te bazalty, zwane także bazaltami z wysp oceanicznych (OIB), są analizowane pod kątem ich składu radiogenicznego i stabilnych izotopów. W systemach radiogenicznych izotopów pierwotnie subdukowany materiał tworzy rozbieżne trendy, zwane składnikami płaszcza. Zidentyfikowane składniki płaszcza to DMM (płaszcz ze zubożonego bazaltu śródoceanicznego (MORB)), HIMU (płaszcz o wysokim współczynniku U / Pb), EM1 (płaszcz wzbogacony 1), EM2 (płaszcz wzbogacony 2) i FOZO (strefa skupienia). Ta sygnatura geochemiczna powstaje w wyniku mieszania materiałów znajdujących się blisko powierzchni, takich jak subdukowane płyty i osady kontynentalne w źródle płaszcza. Istnieją na to dwie konkurencyjne interpretacje. W kontekście pióropuszy płaszcza postuluje się, że materiał przypowierzchniowy został przetransportowany w dół do granicy rdzeń-płaszcz przez płyty subdukcyjne i został przetransportowany z powrotem na powierzchnię przez pióropusze. W kontekście hipotezy płyty, subdukowany materiał jest w większości recyrkulowany w płytkim płaszczu i stamtąd spuszczany przez wulkany.

Stabilne izotopy, takie jak Fe, są wykorzystywane do śledzenia procesów zachodzących w powstającym materiale podczas topnienia.

Przetwarzanie skorupy oceanicznej, litosfery i osadów przez strefę subdukcji oddziela rozpuszczalne w wodzie pierwiastki śladowe (np. K, Rb, Th) od nieruchomych pierwiastków śladowych (np. Ti, Nb, Ta), koncentrując nieruchome pierwiastki w płyta oceaniczna (pierwiastki rozpuszczalne w wodzie są dodawane do skorupy wulkanów łukowych na wyspach). Tomografia sejsmiczna pokazuje, że subdukowane płyty oceaniczne opadają aż do dna strefy przejściowej płaszcza na głębokości 650 km. Subdukcja na większe głębokości jest mniej pewna, ale istnieją dowody na to, że mogą opadać na głębokości około 1500 km do środkowego i dolnego płaszcza.

Postuluje się, że źródłem pióropuszy płaszcza jest granica rdzeń-płaszcz na głębokości 3000 km. Ponieważ transport materiału przez granicę rdzeń-płaszcz jest niewielki, przenoszenie ciepła musi zachodzić przez przewodzenie, z gradientami adiabatycznymi powyżej i poniżej tej granicy. Granica jądro-płaszcz jest silną nieciągłością termiczną (temperaturową). Temperatura jądra jest o około 1000 stopni Celsjusza wyższa niż temperatura otaczającego ją płaszcza. Postuluje się, że pióropusze unoszą się, gdy podstawa płaszcza staje się gorętsza i bardziej wyporna.

Postuluje się, że pióropusze unoszą się przez płaszcz i zaczynają częściowo topnieć po osiągnięciu płytkich głębokości w astenosferze w wyniku topnienia dekompresyjnego . Spowodowałoby to powstanie dużych ilości magmy. Hipoteza pióropuszy postuluje, że ten stop unosi się na powierzchnię i wybucha, tworząc „gorące punkty”.

Dolny płaszcz i rdzeń

Obliczona temperatura Ziemi w funkcji głębokości. Krzywa przerywana: konwekcja płaszcza warstwowego ; Krzywa ciągła: konwekcja całego płaszcza.

Najbardziej widoczny kontrast termiczny, o którym wiadomo, że istnieje w głębokim (1000 km) płaszczu, występuje na granicy rdzeń-płaszcz na wysokości 2900 km. Pierwotnie postulowano, że pióropusze płaszcza wznoszą się z tej warstwy, ponieważ uważano, że „gorące punkty”, które uważa się za ich wyraz powierzchniowy, są nieruchome względem siebie. Wymagało to, aby pióropusze pochodziły spod płytkiej astenosfery, o której uważa się, że płynie szybko w odpowiedzi na ruch leżących nad nią płyt tektonicznych. W głębokiej Ziemi nie ma innej znanej głównej termicznej warstwy granicznej, więc granica między rdzeniem a płaszczem była jedynym kandydatem.

Podstawa płaszcza jest znana jako warstwa D″ , sejsmologiczny podział Ziemi. Wydaje się, że różni się składem od leżącego na nim płaszcza i może zawierać częściowe stopienie.

dolnym płaszczu pod Afryką i pod środkowym Pacyfikiem istnieją dwie bardzo szerokie, duże prowincje o niskiej prędkości ścinania . Postuluje się, że pióropusze unoszą się z ich powierzchni lub krawędzi. Uważano, że ich niskie prędkości sejsmiczne sugerują, że są stosunkowo gorące, chociaż ostatnio wykazano, że ich niskie prędkości fal wynikają z dużej gęstości spowodowanej heterogenicznością chemiczną.

Dowody na teorię

Przytoczono różne dowody na poparcie pióropuszy płaszcza. Istnieje pewne zamieszanie co do tego, co stanowi wsparcie, ponieważ po dokonaniu obserwacji istniała tendencja do ponownego definiowania postulowanych cech pióropuszy płaszcza.

Niektóre powszechne i podstawowe dowody cytowane na poparcie teorii to liniowe łańcuchy wulkaniczne, gazy szlachetne , anomalie geofizyczne i geochemia .

Liniowe łańcuchy wulkaniczne

Postępujące z wiekiem rozmieszczenie hawajsko-cesarskiego łańcucha gór podwodnych zostało wyjaśnione jako wynik stałego, głębokiego pióropuszu płaszcza wznoszącego się do górnego płaszcza, częściowo topniejącego i powodującego tworzenie się łańcucha wulkanicznego, gdy płyta porusza się nad głową w stosunku do stałe źródło pióropuszy. Inne „gorące punkty” z postępującymi w czasie łańcuchami wulkanicznymi to Reunion , Grzbiet Chagos-Laccadive , Grzbiet Louisville , Ninety East Ridge i Kerguelen , Tristan i Yellowstone .

Nieodłącznym aspektem hipotezy pióropusza jest to, że „gorące punkty” i ich ślady wulkaniczne zostały ustalone względem siebie przez cały czas geologiczny. Chociaż istnieją dowody na to, że wymienione powyżej łańcuchy są progresywne w czasie, wykazano jednak, że nie są one ustalone względem siebie. Najbardziej niezwykłym tego przykładem jest łańcuch cesarza, starsza część systemu Hawajów, który powstał w wyniku migracji aktywności wulkanicznej przez płytę geostacjonarną.

W wielu postulowanych „gorących punktach” brakuje również postępujących w czasie śladów wulkanicznych, np. Islandia, Galapagos i Azory. Niedopasowania między przewidywaniami hipotezy a obserwacjami są zwykle wyjaśniane procesami pomocniczymi, takimi jak „wiatr płaszcza”, „przechwytywanie grzbietu”, „ucieczka grzbietu” i boczny przepływ materiału pióropusza.

Gaz szlachetny i inne izotopy

Hel-3 jest pierwotnym izotopem, który powstał w Wielkim Wybuchu . Produkuje się bardzo mało i od tego czasu niewiele zostało dodanych do Ziemi w wyniku innych procesów. Hel-4 zawiera pierwotny składnik, ale jest również wytwarzany w wyniku naturalnego rozpadu radioaktywnego pierwiastków, takich jak uran i tor . Z biegiem czasu hel w górnych warstwach atmosfery jest tracony w kosmosie. W ten sposób Ziemia stopniowo wyczerpywała się w helu i ³ On nie jest zastępowany tak, jak ⁴ On. W rezultacie stosunek ³ He/ ⁴ On na Ziemi z czasem się zmniejszył.

Niezwykle wysokie ³ He/ ⁴ He zaobserwowano w niektórych, ale nie we wszystkich „gorących punktach”. W teorii pióropusza płaszcza tłumaczy się to stukaniem pióropuszy w głęboki, pierwotny zbiornik w dolnym płaszczu, gdzie pierwotne, wysokie ³ He / ⁴ He zostały zachowane przez cały czas geologiczny. W kontekście hipotezy płyty wysokie wskaźniki tłumaczy się zachowaniem starego materiału w płytkim płaszczu. Starożytne, wysokie ³ He/ ⁴ He byłyby szczególnie łatwe do zachowania w materiałach pozbawionych U lub Th, więc ⁴ Nie został dodany w czasie. Oliwin i dunit , oba znalezione w subdukowanej skorupie, są materiałami tego rodzaju.

Zasugerowano, że inne pierwiastki, np. osm , są śladami materii powstającej blisko jądra Ziemi, w bazaltach na wyspach oceanicznych. Jednak jak dotąd brakuje rozstrzygającego dowodu na to.

Anomalie geofizyczne

Diagram przedstawiający przekrój przez litosferę ziemską (na żółto) z magmą wydobywającą się z płaszcza (na czerwono). Skorupa może poruszać się względem pióropuszu, tworząc ślad .

Hipoteza pióropusza została przetestowana poprzez poszukiwanie przewidywanych anomalii geofizycznych z nimi związanych. Należą do nich anomalie termiczne, sejsmiczne i wysokościowe. Anomalie termiczne są nieodłącznym elementem terminu „hotspot”. Można je mierzyć na wiele różnych sposobów, w tym powierzchniowy przepływ ciepła, petrologię i sejsmologię. Anomalie termiczne powodują anomalie prędkości fal sejsmicznych, ale niestety również skład i częściowe stopienie. W rezultacie prędkości fal nie można wykorzystać w prosty i bezpośredni sposób do pomiaru temperatury, ale należy zastosować bardziej wyrafinowane podejście.

Anomalie sejsmiczne są identyfikowane poprzez mapowanie zmian prędkości fal podczas przemieszczania się fal sejsmicznych przez Ziemię. Przewiduje się, że gorący pióropusz płaszcza będzie miał mniejsze prędkości fal sejsmicznych w porównaniu z podobnym materiałem w niższej temperaturze. Materiał płaszcza zawierający ślady częściowego stopienia (np. w wyniku niższej temperatury topnienia) lub bogatszy w Fe ma również mniejszą prędkość fali sejsmicznej i efekty te są silniejsze niż temperatura. Tak więc, chociaż przyjęto, że niezwykle niskie prędkości fal wskazują na anomalnie gorący płaszcz pod „gorącymi punktami”, ta interpretacja jest niejednoznaczna. Najczęściej cytowane obrazy prędkości fali sejsmicznej, które są używane do wyszukiwania zmian w regionach, w których zaproponowano pióropusze, pochodzą z tomografii sejsmicznej. Ta metoda polega na wykorzystaniu sieci sejsmometrów do skonstruowania trójwymiarowych obrazów zmian prędkości fali sejsmicznej w całym płaszczu.

Fale sejsmiczne generowane przez duże trzęsienia ziemi umożliwiają określenie struktury pod powierzchnią Ziemi wzdłuż ścieżki promienia. Fale sejsmiczne, które pokonały tysiąc lub więcej kilometrów (zwane także falami telesejsmicznymi ) mogą być wykorzystane do obrazowania dużych obszarów płaszcza Ziemi. Mają jednak również ograniczoną rozdzielczość i można wykryć tylko struktury o średnicy co najmniej kilkuset kilometrów.

Obrazy tomografii sejsmicznej zostały przytoczone jako dowód na istnienie szeregu pióropuszy płaszcza w płaszczu Ziemi. Trwa jednak ożywiona dyskusja na temat tego, czy sfotografowane struktury są wiarygodnie rozdzielone i czy odpowiadają kolumnom gorącej, wznoszącej się skały.

Hipoteza pióropuszy płaszcza przewiduje, że topograficzne wypiętrzenie kopuły rozwinie się, gdy głowy pióropuszy zderzą się z podstawą litosfery. Wypiętrzenie tego rodzaju miało miejsce, gdy północny Ocean Atlantycki otworzył się około 54 milionów lat temu. Niektórzy naukowcy powiązali to z pióropuszem płaszcza, który rzekomo spowodował rozpad Eurazji i otwarcie północnego Atlantyku, który teraz sugeruje, że leży u podstaw Islandii . Obecne badania wykazały jednak, że historia wypiętrzenia jest prawdopodobnie znacznie krótsza niż przewidywano. Nie jest zatem jasne, jak mocno ta obserwacja potwierdza hipotezę pióropusza płaszcza.

Geochemia

Bazalty znalezione na wyspach oceanicznych różnią się geochemicznie od tych znalezionych na grzbietach śródoceanicznych i wulkanach związanych ze strefami subdukcji (bazaltowe łuki wyspowe). „ Bazalt z wyspy oceanicznej ” jest również podobny do bazaltów występujących w oceanach, zarówno na małych, jak i dużych górach podwodnych (uważa się, że powstały w wyniku erupcji na dnie morskim, które nie wzniosły się ponad powierzchnię oceanu). Są one również pod względem składu podobne do niektórych bazaltów występujących we wnętrzach kontynentów (np. równina rzeki Snake ).

W przypadku głównych pierwiastków bazalty z wysp oceanicznych mają zazwyczaj wyższą zawartość żelaza (Fe) i tytanu (Ti) niż bazalty z grzbietów oceanicznych przy podobnej zawartości magnezu (Mg). W pierwiastki śladowe są one zazwyczaj bardziej wzbogacone w lekkie pierwiastki ziem rzadkich niż bazalty z grzbietów śródoceanicznych. W porównaniu z bazaltami z łuku wyspowego, bazalty z wysp oceanicznych mają mniej tlenku glinu (Al ₂ O ₃ ) i więcej nieruchomych pierwiastków śladowych (np. Ti, Nb , Ta ).

Różnice te wynikają z procesów zachodzących podczas subdukcji skorupy oceanicznej i litosfery płaszcza . Skorupa oceaniczna (i, w mniejszym stopniu, leżący pod nią płaszcz) zwykle ulega uwodnieniu w różnym stopniu na dnie morskim, częściowo w wyniku wietrzenia dna morskiego, a częściowo w odpowiedzi na cyrkulację hydrotermalną w pobliżu grzbietu środkowego oceanu, gdzie był pierwotnie uformowany. W wyniku subdukcji skorupy oceanicznej i znajdującej się pod nią litosfery woda jest uwalniana w wyniku reakcji odwodnienia wraz z pierwiastkami rozpuszczalnymi w wodzie i pierwiastkami śladowymi. Ten wzbogacony płyn unosi się do metasomatyzacji leżącego powyżej klina płaszcza i prowadzi do powstania bazaltów łuków wyspowych. Płyta subdukcyjna jest zubożona w te pierwiastki ruchliwe w wodzie (np. K , Rb , Th , Pb ), a zatem względnie wzbogacona w pierwiastki, które nie są ruchliwe w wodzie (np. Ti, Nb, Ta) w porównaniu z grzbietem śródoceanicznym i bazalty z łuku wyspowego.

Bazalty wysp oceanicznych są również stosunkowo wzbogacone w pierwiastki nieruchome w stosunku do pierwiastków ruchomych w wodzie. Ta i inne obserwacje zostały zinterpretowane jako wskazujące, że wyraźna sygnatura geochemiczna bazaltów wysp oceanicznych wynika z włączenia składnika subdukowanego materiału płyty. Musiało to zostać poddane recyklingowi w płaszczu, a następnie ponownie stopione i włączone do wybuchających law. W kontekście hipotezy pióropusza postuluje się, że subdukowane płyty zostały subdukowane aż do granicy rdzeń-płaszcz i przetransportowane z powrotem na powierzchnię we wznoszących się pióropuszach. W hipotezie płytowej postuluje się, że płyty zostały poddane recyklingowi na mniejszych głębokościach – w górnych kilkuset kilometrach, które tworzą płaszcz górny . Hipoteza płytkowa jest jednak niespójna zarówno z geochemią płytkich wytopów astenosfery (tj. bazaltów z grzbietów śródoceanicznych), jak i składem izotopowym bazaltów z wysp oceanicznych.

Sejsmologia

W 2015 roku, na podstawie danych z 273 dużych trzęsień ziemi, naukowcy opracowali model oparty na pełnej tomografii falowej, co wymaga równowartości 3 milionów godzin czasu superkomputera. Ze względu na ograniczenia obliczeniowe nadal nie można było wykorzystać danych o wysokiej częstotliwości, a dane sejsmiczne były niedostępne z większości dna morskiego. Niemniej jednak pionowe pióropusze, o 400 C gorętsze niż otaczająca skała, zostały zwizualizowane pod wieloma gorącymi punktami, w tym Pitcairn , Macdonald , Samoa , Tahiti , Markizy , Galapagos , Wyspy Zielonego Przylądka i Wysp Kanaryjskich . Rozciągały się prawie pionowo od granicy rdzeń-płaszcz (głębokość 2900 km) do możliwej warstwy ścinania i zginania na 1000 km. Były wykrywalne, ponieważ miały szerokość 600–800 km, czyli ponad trzy razy więcej niż oczekiwano od współczesnych modeli. Wiele z tych pióropuszy znajduje się w dużych prowincjach o niskiej prędkości ścinania pod Afryką i Pacyfikiem, podczas gdy niektóre inne gorące punkty, takie jak Yellowstone, były mniej wyraźnie związane z cechami płaszcza w modelu.

Nieoczekiwany rozmiar pióropuszy pozostawia otwartą możliwość, że mogą one przewodzić większość 44 terawatów wewnętrznego przepływu ciepła Ziemi z jądra na powierzchnię, co oznacza, że dolny płaszcz konwektuje mniej niż oczekiwano, jeśli w ogóle. Możliwe, że istnieje różnica składu między pióropuszami a otaczającym je płaszczem, która je spowalnia i rozszerza.

Sugerowane lokalizacje pióropuszy płaszcza

Przykład lokalizacji pióropuszy sugerowany przez jedną z ostatnich grup. Rysunek z Foulger (2010).

Sugerowano, że wiele różnych miejsc jest pod spodem pióropuszy płaszcza, a naukowcy nie mogą uzgodnić ostatecznej listy. Niektórzy naukowcy sugerują, że istnieje kilkadziesiąt pióropuszy, podczas gdy inni sugerują, że nie ma ich wcale. Teoria została naprawdę zainspirowana hawajskim systemem wulkanicznym. Hawaje to duży wulkaniczny gmach w centrum Oceanu Spokojnego, z dala od granic płyt. Jego regularny, postępujący w czasie łańcuch wysp i gór podwodnych powierzchownie dobrze pasuje do teorii pióropuszy. Jednak jest to prawie wyjątkowe na Ziemi, ponieważ nic tak ekstremalnego nie istnieje nigdzie indziej. Drugim najsilniejszym kandydatem na lokalizację pióropusza jest często cytowana Islandia, ale według przeciwników hipotezy pióropusza jego masywny charakter można wytłumaczyć siłami tektonicznymi płyt wzdłuż środkowoatlantyckiego centrum rozprzestrzeniania się.

bazaltów powodziowych sugerowano pióropusze płaszcza . Te niezwykle szybkie erupcje magm bazaltowych na dużą skalę okresowo tworzyły kontynentalne prowincje bazaltu powodziowego na lądzie i płaskowyże oceaniczne w basenach oceanicznych, takie jak Pułapki Dekanu , Pułapki Syberyjskie , bazalty powodziowe Karoo-Ferrar w Gondwanie i największe znane kontynentalne bazalt powodziowy, prowincja magmowa środkowego Atlantyku (CAMP).

Wiele zdarzeń związanych z powodziami bazaltowymi na kontynencie zbiega się z ryftem kontynentalnym. Jest to zgodne z systemem, który dąży do równowagi: gdy materia unosi się w pióropuszu płaszcza, inny materiał jest wciągany do płaszcza, powodując pękanie.

Teoria płyt

Hipoteza pióropuszy płaszcza z głębin nie jest powszechnie akceptowana jako wyjaśnienie całego takiego wulkanizmu . Wymagało to stopniowego opracowywania hipotez prowadzących do różnych propozycji, takich jak mini-pióropusze i pulsujące pióropusze. Inną hipotezą dotyczącą niezwykłych regionów wulkanicznych jest teoria płyt . Sugeruje to płytszy, bierny wyciek magmy z płaszcza na powierzchnię Ziemi, gdzie pozwala na to rozszerzenie litosfery, przypisując większość wulkanizmu procesom tektonicznym płyt, z wulkanami daleko od granic płyt wynikającymi z rozszerzenia wewnątrzpłytowego.

Schemat teorii płyt. Średnioniebieski: litosfera; jasnoniebieski/zielony: niejednorodny górny płaszcz; żółty: dolny płaszcz; pomarańczowy/czerwony: granica rdzeń-płaszcz. Rozszerzenie litosfery umożliwia wzrost wcześniej istniejącego stopu (czerwony).

Teoria płyt przypisuje całą aktywność wulkaniczną na Ziemi, nawet tę, która z pozoru wydaje się anomalią, działaniu tektoniki płyt . Zgodnie z teorią płyt główną przyczyną wulkanizmu jest rozszerzanie się litosfery . Rozszerzenie litosfery jest funkcją litosferycznego pola naprężeń . Globalny rozkład aktywności wulkanicznej w danym czasie odzwierciedla współczesne pole naprężeń litosferycznych, a zmiany w przestrzennym i czasowym rozmieszczeniu wulkanów odzwierciedlają zmiany w polu naprężeń. Głównymi czynnikami rządzącymi ewolucją pola naprężeń są:

Zmiany w konfiguracji granic płyt .
Ruchy pionowe.
Skurcz termiczny.

Ilustracja konkurencyjnych modeli recyklingu skorupy ziemskiej i losu subdukowanych płyt. Hipoteza pióropusza odwołuje się do głębokiej subdukcji (po prawej), podczas gdy hipoteza płyty skupia się na płytkiej subdukcji (po lewej).

Począwszy od początku XXI wieku niezadowolenie ze stanu dowodów na pióropusze płaszcza i mnożenie się hipotez ad hoc skłoniło wielu geologów, na czele z Donem L. Andersonem , Gillian Foulger i Warrenem B. Hamiltonem , do zaproponowania szerokiej alternatywy oparte na płytkich procesach w górnym płaszczu i powyżej, z naciskiem na tektonikę płyt jako siłę napędową magmatyzmu.

Hipoteza płyty sugeruje, że „anomalny” wulkanizm wynika z rozszerzenia litosfery, które pozwala na bierne wznoszenie się stopu z astenosfery poniżej. Jest to zatem koncepcyjna odwrotność hipotezy pióropusza, ponieważ hipoteza płyty przypisuje wulkanizm raczej płytkim procesom bliskopowierzchniowym związanym z tektoniką płyt, niż aktywnym procesom zachodzącym na granicy rdzeń-płaszcz.

Rozszerzenie litosfery przypisuje się procesom związanym z tektoniką płyt. Procesy te są dobrze poznane na grzbietach śródoceanicznych, gdzie występuje większość wulkanizmu na Ziemi. Rzadziej uznaje się, że same płyty odkształcają się wewnętrznie i mogą umożliwiać wulkanizm w tych regionach, w których odkształcenie jest ekstensjonalne. Dobrze znanymi przykładami są prowincja Basin and Range w zachodnich Stanach Zjednoczonych, Rift w Afryce Wschodniej i Rów Renu . Zgodnie z tą hipotezą zmienne objętości magmy przypisuje się raczej zmianom składu chemicznego (duże objętości wulkanizmu odpowiadające łatwiej topiącemu się materiałowi płaszcza), niż różnicom temperatur.

Nie zaprzeczając ogólnie obecności głębokiej konwekcji płaszcza i upwellingu, hipoteza płyt utrzymuje, że procesy te nie skutkują pióropuszami płaszcza, w sensie kolumnowych pionowych cech, które obejmują większość płaszcza Ziemi, transportują duże ilości ciepła i przyczyniają się do wulkanizmu powierzchniowego.

Pod parasolem hipotezy płyty rozpoznaje się następujące podprocesy, z których wszystkie mogą przyczynić się do umożliwienia wulkanizmu powierzchniowego:

rozpad kontynentów;
Płodność na grzbietach śródoceanicznych;
Zwiększony wulkanizm na skrzyżowaniach granicznych płyt;
Konwekcja sublitosferyczna na małą skalę;
Oceaniczne rozszerzenie wewnątrzpłytowe;
Rozerwanie i zerwanie płyty;
Płytka konwekcja płaszcza;
Nagłe boczne zmiany naprężeń przy nieciągłościach strukturalnych;
Kontynentalne rozszerzenie wewnątrzpłytowe;
Katastrofalne przerzedzenie litosfery;
Sublitosferyczne osadzanie się stopu i drenowanie.

ucieczkę na powierzchnię wcześniej istniejącego stopu w skorupie i płaszczu . Jeśli wydłużenie jest poważne i rozrzedza litosferę do tego stopnia, że astenosfera się podnosi, wówczas w wyniku upwellingu dekompresyjnego wytwarzany jest dodatkowy stop .

Główną zaletą teorii płyt jest to, że rozszerza tektonikę płyt na ujednolicony opis wulkanizmu Ziemi, który eliminuje potrzebę powoływania się na obce hipotezy mające na celu uwzględnienie przypadków aktywności wulkanicznej, które pozornie wydają się wyjątkowe.

Geneza teorii płyt

Opracowana w późnych latach 60. i 70. XX wieku tektonika płyt dostarczyła eleganckiego wyjaśnienia większości aktywności wulkanicznej Ziemi. Na rozszerzających się granicach, gdzie płyty oddalają się od siebie, astenosfera ulega dekompresji i topi się, tworząc nową skorupę oceaniczną . W subdukcji płyty skorupy oceanicznej toną w płaszczu, odwadniają się i uwalniają substancje lotne , które obniżają temperaturę topnienia i powodują powstawanie łuków wulkanicznych i łuku wstecznego rozszerzenia. Jednak kilka prowincji wulkanicznych nie pasuje do tego prostego obrazu i tradycyjnie uważano je za wyjątkowe przypadki, które wymagają wyjaśnienia niezwiązanego z płytami tektonicznymi.

Tuż przed rozwojem tektoniki płyt we wczesnych latach sześćdziesiątych XX wieku kanadyjski geofizyk John Tuzo Wilson zasugerował, że łańcuchy wysp wulkanicznych tworzą się w wyniku ruchu dna morskiego nad stosunkowo stacjonarnymi gorącymi punktami w stabilnych centrach komórek konwekcyjnych płaszcza . We wczesnych latach siedemdziesiątych pomysł Wilsona został wskrzeszony przez amerykańskiego geofizyka W. Jasona Morgana . Aby wyjaśnić długowieczną podaż magmy, której zdawały się wymagać niektóre regiony wulkaniczne, Morgan zmodyfikował hipotezę, przenosząc źródło do termicznej warstwy granicznej . Ze względu na postrzeganą stałość niektórych źródeł wulkanicznych w stosunku do płyt, zaproponował, że ta granica termiczna była głębsza niż konwekcyjny górny płaszcz, po którym poruszają się płyty, i zlokalizował ją na granicy rdzeń-płaszcz, 3000 km pod powierzchnią . Zasugerował, że wąskie prądy konwekcyjne wznoszą się ze stałych punktów na tej granicy termicznej i tworzą przewody, które transportują nienormalnie gorący materiał na powierzchnię.

Ta teoria pióropuszy płaszcza stała się dominującym wyjaśnieniem widocznych anomalii wulkanicznych przez pozostałą część XX wieku. Testowanie hipotezy jest jednak najeżone trudnościami. Głównym założeniem teorii pióropusza jest to, że źródło stopu jest znacznie cieplejsze niż otaczający go płaszcz, więc najbardziej bezpośrednim testem jest pomiar temperatury źródła magmy. Jest to trudne, ponieważ petrogeneza magm jest niezwykle złożona, przez co wnioski z petrologii lub geochemii dotyczące temperatur źródła są niewiarygodne. Sejsmiczny dane użyte do zapewnienia dodatkowych ograniczeń dotyczących temperatur źródła są wysoce niejednoznaczne. Oprócz tego kilka przewidywań teorii pióropuszy okazało się nieskutecznych w wielu miejscach, w których rzekomo znajdowały się pióropusze płaszcza, a istnieją również istotne teoretyczne powody, by wątpić w tę hipotezę.

Powyższe kwestie zainspirowały rosnącą liczbę geologów, na czele z amerykańskim geofizykiem Donem L. Andersonem i brytyjskim geofizykiem Gillianem R. Foulgerem , do poszukiwania innych wyjaśnień aktywności wulkanicznej, których niełatwo wytłumaczyć tektoniką płyt. Zamiast wprowadzać kolejną nieistotną teorię, wyjaśnienia te zasadniczo rozszerzają zakres tektoniki płyt w sposób, który może pomieścić aktywność wulkaniczną, o której wcześniej uważano, że jest poza jej zakresem. Kluczową modyfikacją podstawowego modelu płyt tektonicznych jest złagodzenie założenia, że płyty są sztywne. Oznacza to, że rozszerzenie litosfery występuje nie tylko na rozszerzających się granicach płyt, ale we wnętrzach płyt, co jest zjawiskiem dobrze popartym zarówno teoretycznie, jak i empirycznie.

W ciągu ostatnich dwóch dekad teoria płyt rozwinęła się w spójny program badawczy, przyciągający wielu zwolenników i zajmujący badaczy w kilku subdyscyplinach nauk o Ziemi . Było to również tematem kilku międzynarodowych konferencji i wielu recenzowanych artykułów, a także jest tematem dwóch głównych Geological Society of America oraz podręcznika.

Od 2003 r. dyskusja i rozwój teorii płyt są wspierane przez witrynę mantleplumes.org , której gospodarzem jest Uniwersytet w Durham (Wielka Brytania) , główne międzynarodowe forum z udziałem geologów zajmujących się różnymi specjalnościami.

Rozszerzenie litosfery

Rozszerzenie litosfery w skali globalnej jest konieczną konsekwencją niezamykania się obwodów ruchu płyt i jest równoznaczne z dodatkową wolno rozprzestrzeniającą się granicą. Rozszerzenie wynika głównie z następujących trzech procesów.

Zmiany w konfiguracji granic płyt. Mogą one wynikać z różnych procesów, w tym tworzenia się lub anihilacji płyt i granic oraz cofania się płyt (pionowe zatapianie płyt subdukcyjnych powodujących migrację rowów w kierunku oceanu).
Ruchy pionowe wynikające z rozwarstwienia dolnej skorupy ziemskiej i litosfery płaszcza oraz dostosowania izostatycznego w następstwie erozji , orogenezy lub topnienia czap lodowych .
Skurcz termiczny, który sumuje się do największej wartości na dużych płytach, takich jak Pacyfik .

Rozszerzenie wynikające z tych procesów przejawia się w różnych strukturach, w tym w strefach ryftów kontynentalnych (np. szczelina wschodnioafrykańska ), rozproszonych granicach płyt oceanicznych (np. Islandia ), kontynentalnych regionach ekstensjonalnych łuku wstecznego ( np . zachodnie Stany Zjednoczone ), oceaniczne baseny wsteczne (np. basen Manus na Morzu Bismarcka u wybrzeży Papui-Nowej Gwinei ), regiony przedłukowe (np. zachodni Pacyfik) i regiony kontynentalne podlegające delaminacji litosfery (np. Nowa Zelandia ).

Rozpad kontynentów zaczyna się od riftingu. Kiedy ekspansja jest trwała i całkowicie kompensowana przez magmę pochodzącą z upwellingu astenosferycznego, tworzy się skorupa oceaniczna, a szczelina staje się granicą rozszerzającej się płyty. Jeśli rozszerzenie jest izolowane i efemeryczne, klasyfikuje się je jako wewnątrzpłytkowe. Pęknięcia mogą występować zarówno w skorupie oceanicznej, jak i kontynentalnej i wahają się od niewielkich do ilości zbliżonych do tych obserwowanych na rozszerzających się granicach. Wszystko może wywołać magmatyzm.

Różne style ekstensjonalne są widoczne na północno-wschodnim Atlantyku. Ryft kontynentalny rozpoczął się w późnym paleozoiku , po czym nastąpiła katastrofalna destabilizacja w późnej kredzie i wczesnym paleocenie . To ostatnie było prawdopodobnie spowodowane wycofaniem się płyty alpejskiej, co spowodowało rozszerzenie w całej Europie. Poważniejsze pęknięcia wystąpiły wzdłuż szwu kaledońskiego, strefy wcześniej istniejącej słabości, gdzie Ocean Japetus zamknął się około 420 mA . Gdy rozszerzenie zostało zlokalizowane, skorupa oceaniczna zaczęła się formować około 54 mA, z rozproszonym rozszerzeniem utrzymującym się wokół Islandii.

Niektóre szczeliny międzykontynentalne są zasadniczo nieudanymi osiami rozpadu kontynentów, a niektóre z nich tworzą potrójne połączenia z granicami płyt. Na przykład szczelina wschodnioafrykańska tworzy potrójne połączenie z Morzem Czerwonym i Zatoką Adeńską , z których oba przeszły do etapu rozprzestrzeniania się dna morskiego. Podobnie szczelina środkowoamerykańska stanowi dwa ramiona potrójnego skrzyżowania wraz z trzecim, które oddziela kraton amazoński od Laurentii około 1,1 Ga .

Zróżnicowana aktywność wulkaniczna wynikająca z rozszerzania się litosfery miała miejsce w zachodnich Stanach Zjednoczonych. Wulkany Kaskadowe to łańcuch wulkaniczny o tylnym łuku rozciągający się od Kolumbii Brytyjskiej do Północnej Kalifornii . Rozszerzenie łuku wstecznego trwa dalej na wschód w prowincji Basin and Range , z wulkanizmem na małą skalę rozproszonym w całym regionie.

Płyta Pacyfiku jest największą płytą tektoniczną na Ziemi, pokrywającą około jednej trzeciej powierzchni Ziemi. Ulega znacznemu wydłużeniu i ścinającej w wyniku termicznego kurczenia się litosfery. Deformacja ścinająca jest największa na obszarze między Samoa a Mikropłytką Wielkanocną , na obszarze obfitującym w prowincje wulkaniczne, takie jak łańcuch Cook - Austral , Markizy i Wyspy Towarzystwa , Archipelag Tuamotu , Fuca i Pukapuka grzbiety i wyspa Pitcairn .

źródło magmy

Objętość magmy, która jest intruzowana i/lub erupcji w danym obszarze rozszerzenia litosfery, zależy od dwóch zmiennych: (1) dostępności wcześniej istniejącego wytopu w skorupie i płaszczu; oraz (2) ilość dodatkowego stopu dostarczanego przez upwelling dekompresyjny. To ostatnie zależy od trzech czynników: (a) grubości litosfery; b) kwota przedłużenia; oraz (c) topliwość i temperatura źródła.

Zarówno w skorupie, jak i płaszczu występuje obfity wcześniej stopiony materiał. W skorupie wytop jest magazynowany pod aktywnymi wulkanami w płytkich zbiornikach, które są zasilane przez głębsze. Uważa się, że w astenosferze niewielka ilość częściowego stopienia zapewnia słabą warstwę, która działa jak smar dla ruchu płyt tektonicznych. Obecność wcześniej istniejącego stopu oznacza, że magmatyzm może wystąpić nawet na obszarach, gdzie zasięg litosfery jest niewielki, takich jak Kamerunu i Pitcairn - Gambier .

Szybkość tworzenia się magmy w wyniku dekompresji astenosfery zależy od tego, jak wysoko astenosfera może się wznieść, co z kolei zależy od grubości litosfery. Z modelowania numerycznego wynika, że powstawanie wytopu w największych bazaltach potopowych nie może przebiegać równolegle z jego położeniem. Oznacza to, że stop powstaje przez dłuższy czas, jest magazynowany w zbiornikach – najprawdopodobniej zlokalizowanych na granicy litosfery i astenosfery – i uwalniany w wyniku rozszerzania się litosfery. O tym, że duże ilości magmy są przechowywane u podstawy litosfery, świadczą obserwacje dużych prowincji magmowych, takich jak Great Dyke w Zimbabwe i kompleks magmowy Bushveld w Afryce Południowej . Tam gruba litosfera pozostała nienaruszona podczas magmatyzmu o dużej objętości, więc można wykluczyć upwelling dekompresyjny na wymaganą skalę, co sugeruje, że duże ilości magmy musiały istnieć wcześniej.

Jeśli rozszerzenie jest poważne i powoduje znaczne przerzedzenie litosfery, astenosfera może wznieść się na płytkie głębokości, wywołując topnienie dekompresyjne i wytwarzając większe objętości stopu. Na grzbietach śródoceanicznych, gdzie litosfera jest cienka, upwelling dekompresyjny powoduje niewielkie tempo magmatyzmu. Ten sam proces może również powodować magmatyzm o małej objętości na wolno rozszerzających się szczelinach kontynentalnych lub w ich pobliżu. Pod kontynentami litosfera ma grubość do 200 km. Jeśli litosfera o tej grubości ulegnie znacznemu i trwałemu rozszerzeniu, może pęknąć, a astenosfera może wypłynąć na powierzchnię, wytwarzając dziesiątki milionów kilometrów sześciennych stopionego materiału wzdłuż osi o długości setek kilometrów. Miało to miejsce na przykład podczas otwierania się Północnego Atlantyku, kiedy astenosfera podniosła się z podstawy Pangejska litosfera na powierzchnię.

Przykłady

Zdecydowana większość prowincji wulkanicznych, które uważa się za anomalne w kontekście sztywnej tektoniki płyt, została teraz wyjaśniona za pomocą teorii płyt. Typowymi przykładami tego rodzaju aktywności wulkanicznej są Islandia , Yellowstone i Hawaje . Islandia jest typowym przykładem anomalii wulkanicznej położonej na granicy płyt. Yellowstone wraz ze wschodnią równiną rzeki Snake na zachodzie jest typowym przykładem wewnątrzkontynentalnej anomalii wulkanicznej. Hawaje wraz z powiązanym łańcuchem hawajsko-cesarskim gór podwodnych , jest typowym przykładem wewnątrzoceanicznej anomalii wulkanicznej.

Islandia

Mapa regionalna północno-wschodniego Atlantyku. Batymetria pokazana w kolorze; topografia terenu w kolorze szarym. PR: Grzbiet Reykjanes; KR: Kolbeinsey Ridge; JMMC: Mikrokontynent Jan Mayen; AR: Grzbiet Aegir; FI: Wyspy Owcze. Czerwone linie: granice kaledońskiego orogenu i związanych z nim pchnięć, przerywane w miejscu ekstrapolacji na młodszy Ocean Atlantycki.

Islandia to bazaltowa tarcza o wysokości 1 km i wymiarach 450 x 300 km na grzbiecie śródoceanicznym w północno-wschodnim Atlantyku. Obejmuje ponad 100 aktywnych lub wygasłych wulkanów i jest intensywnie badany przez naukowców zajmujących się Ziemią od kilkudziesięciu lat.

Islandię należy rozumieć w kontekście szerszej struktury i historii tektonicznej północno-wschodniego Atlantyku . Północno-wschodni Atlantyk powstał we wczesnym kenozoiku , kiedy po długim okresie ryftowania Grenlandia oddzieliła się od Eurazji , gdy Pangea zaczęła się rozpadać. Na północ od obecnego położenia Islandii oś rozpadu rozprzestrzeniła się na południe wzdłuż szwu kaledońskiego. Na południu oś rozpadu rozchodziła się na północ. Obie osie dzieliło około 100 km ze wschodu na zachód i 300 km z północy na południe. Kiedy dwie osie rozwinęły się do pełnego rozłożenia dna morskiego, region kontynentalny o wymiarach 100 x 300 km między dwiema szczelinami utworzył Islandię mikrokontynent , który przeszedł rozproszone rozciąganie i ścinanie wzdłuż kilku północnych osi szczelin, a lawy bazaltowe zostały umieszczone w rozciągniętej skorupie kontynentalnej i na niej. Ten styl ekspansji utrzymuje się w równoległych strefach szczelin, które często wymierają i są zastępowane nowymi.

Model ten wyjaśnia kilka odrębnych cech regionu:

Trwałość podziemnego mostu lądowego z Grenlandii do Wysp Owczych, który został zerwany, gdy północno-wschodni Atlantyk miał około 1000 km szerokości, którego starsze części tworzą teraz płytki grzbiet podwodny.
Niestabilność i rozdzielenie rozprzestrzeniających się grzbietów na północy i południu. Na północy Grzbiet Aegir wymarł około 31-28 mln lat temu, a jego przedłużenie zostało przeniesione do Grzbietu Kolbeinsey około 400 km na zachód. W grzbiecie Reykjanes na południu, po około 16 milionach lat rozprzestrzeniania się prostopadle do uderzenia grzbietu, zmienił się kierunek ekspansji, a grzbiet stał się systemem przekształceń grzbietowych, który później migrował na wschód.
Właściwości skorupy pod Grzbietem Grenlandzko-Islandzkim-Owczym. Tutaj skorupa ma przeważnie grubość 30–40 km. Jego połączenie niskiej prędkości fal sejsmicznych i wysokiej gęstości wymyka się klasyfikacji jako gruba skorupa oceaniczna i zamiast tego wskazuje, że jest to napompowana magmą skorupa kontynentalna. Sugeruje to, że Islandia jest wynikiem trwałego rozszerzania się skorupy kontynentalnej, która była strukturalnie odporna na dalsze rozprzestrzenianie się nowych grzbietów oceanicznych. W rezultacie ekspansja kontynentalna trwała wyjątkowo długo i jeszcze nie ustąpiła miejsca prawdziwemu rozprzestrzenianiu się oceanów. Produkcja stopu jest podobna do sąsiednich grzbietów śródoceanicznych, które wytwarzają skorupę oceaniczną o grubości około 10 km, chociaż pod Islandią, zamiast tworzyć skorupę oceaniczną, stop jest umieszczany w rozciągniętej skorupie kontynentalnej i na niej.
Niezwykła petrologia i geochemia Islandii, która zawiera około 10% krzemionki i jest pośrednia, z geochemią podobną do bazaltów powodziowych, takich jak Karoo i Deccan , które przeszły asymilację krzemionki lub zanieczyszczenie przez skorupę kontynentalną.

Yellowstone

Mapa geologiczna północno-zachodnich Stanów Zjednoczonych przedstawiająca uskoki Basin i Range oraz bazalty i ryolity <17 Ma. Niebieskie linie reprezentują przybliżone kontury wiekowe krzemowych centrów wulkanicznych na równinie Eastern Snake River oraz współczesny trend przeciwnego rozprzestrzeniania się wulkanizmu krzemowego w środkowym Oregonie.

Yellowstone i Eastern Snake River Plain na zachodzie obejmują pas dużych, krzemowych wulkanów kaldery, które stają się coraz młodsze na wschodzie, których kulminacją jest obecnie aktywna kaldera Yellowstone w północno-zachodnim Wyoming . Pas jest jednak pokryty lawami bazaltowymi, które nie wykazują żadnego postępu czasowego. Ponieważ znajduje się we wnętrzu kontynentu, był szeroko badany, chociaż badania obejmowały głównie sejsmologię i geochemię, których celem było zlokalizowanie źródeł głęboko w płaszczu. Metody te nie nadają się do opracowania teorii płyt, która utrzymuje, że wulkanizm jest związany z procesami na płytkich głębokościach.

Podobnie jak w przypadku Islandii, wulkanizm w regionie Yellowstone-Eastern Snake River Plain należy rozumieć w szerszym kontekście tektonicznym. Na historię tektoniczną zachodnich Stanów Zjednoczonych duży wpływ miało subdukcja wzrostu wschodniego Pacyfiku pod płytą północnoamerykańską, która rozpoczęła się około 17 mln lat temu. Zmiana granicy płyt z subdukcji na rozciąganie wywołane ścinaniem w zachodnich Stanach Zjednoczonych. Spowodowało to powszechny wulkanizm, poczynając od Columbia River Basalt Group , która wybuchła przez 250-kilometrową strefę grobli które rozszerzyły skorupę o kilka kilometrów. Prowincja Basin and Range powstała następnie w wyniku normalnych uskoków, powodując rozproszony wulkanizm ze szczególnie obfitymi erupcjami w trzech strefach wschód-zachód: Yellowstone-Eastern Snake River Plain, Valles i St. George strefy wulkaniczne. W porównaniu z innymi, strefa Yellowstone-Eastern Snake River Plain jest uważana za niezwykłą ze względu na postępujący w czasie łańcuch wulkanów krzemowych i uderzające cechy geotermalne.

Skład krzemowy wulkanów wskazuje na niższe źródło skorupy ziemskiej. Jeśli wulkanizm wynikał z rozszerzenia litosfery, to rozszerzenie wzdłuż strefy Yellowstone-Eastern Snake River Plain musiało migrować z zachodu na wschód w ciągu ostatnich 17 milionów lat. Istnieją dowody na to, że tak jest. Przyspieszony ruch na pobliskich normalnych uskokach, co wskazuje na rozszerzenie prowincji Basin and Range, migruje na wschód, zbiegając się z migracją wulkanizmu krzemowego. Potwierdzają to pomiary niedawnych deformacji z pomiarów GPS, które wskazują najbardziej intensywne strefy rozszerzenia w prowincji Basin and Range na dalekim wschodzie i dalekim zachodzie oraz niewielkie rozszerzenie na środkowych 500 km. Dlatego strefa Yellowstone-Eastern Snake River Plain prawdopodobnie odzwierciedla miejsce rozszerzenia, które migrowało z zachodu na wschód. Jest to dodatkowo wspierane przez analogiczny magmatyzm krzemowy oparty na rozszerzeniu w innych częściach zachodnich Stanów Zjednoczonych, na przykład w Coso Hot Springs i Long Valley Caldera w Kalifornii.

To, że trwały wulkanizm bazaltowy wynika z jednoczesnego rozszerzania się na całej długości strefy Yellowstone-Eastern Snake River Plain, jest widoczne w pomiarach GPS zarejestrowanych w latach 1987-2003, które odnotowują rozszerzenie zarówno na północ, jak i na południe strefy. Dowody historycznego rozszerzenia można znaleźć w zorientowanych na północny zachód strefach szczelin zasilanych groblami, odpowiedzialnych za przepływy bazaltu. Analogia z podobną aktywnością wulkaniczną na Islandii i na grzbietach śródoceanicznych wskazuje, że okresy ekspansji są krótkie, a zatem bazaltowy wulkanizm wzdłuż strefy Yellowstone-Eastern Snake River Plain występuje w krótkich okresach aktywności pomiędzy długimi okresami nieaktywności.

Hawaje

System wulkaniczny Hawaii-Emperor jest niezwykle trudny do zbadania. Znajduje się tysiące kilometrów od jakiegokolwiek większego lądu kontynentalnego i jest otoczony głębokim oceanem, z którego bardzo niewiele znajduje się nad poziomem morza, i jest pokryty grubym bazaltem, który przesłania jego głębszą strukturę. Znajduje się w kredowej cichej strefie magnetycznej , stosunkowo długim okresie normalnej biegunowości ziemskiego pola magnetycznego , więc zmiany wieku w litosferze są trudne do dokładnego określenia. Bardziej ogólna rekonstrukcja historii tektonicznej Oceanu Spokojnego jest problematyczna, ponieważ wcześniejsze płyty i granice płyt, w tym rozszerzający się grzbiet, od którego rozpoczął się łańcuch cesarski, zostały podbite. Z powodu tych problemów geolodzy nie stworzyli jeszcze w pełni rozwiniętej teorii pochodzenia systemu, którą można pozytywnie przetestować.

Obserwacje, które muszą być wyjaśnione przez każdą taką teorię, obejmują:

Położenie Hawajów prawie dokładnie w geometrycznym środku płyty Pacyfiku, to znaczy w środkowym punkcie linii dzielącej zachodni Pacyfik, który jest otoczony głównie strefami subdukcji, i wschodni Pacyfik, który jest otoczony głównie przez rozległe grzbiety.
Rosnąca objętość stopu. W ciągu ostatnich 50 milionów lat tempo produkcji stopionego metalu wzrosło z zaledwie 0,001 km³ rocznie do 0,25 km³ rocznie, czyli około 250 razy. Obecne tempo magmatyzmu odpowiedzialne za powstanie Wielkiej Wyspy działa tylko przez 2 miliony lat.
Brak ruchu centrum wulkanicznego względem bieguna geomagnetycznego i geometrii płyty Pacyfiku przez około 50 milionów lat.
Ciągłość łańcucha hawajskiego z łańcuchem cesarza poprzez „zagięcie” pod kątem 60°. Ten ostatni powstał w okresie 30 milionów lat, podczas którego centrum wulkaniczne migrowało z południa na południowy wschód. Migracja ustała na początku łańcucha hawajskiego. Zagięcia 60° nie można wytłumaczyć zmianą kierunku płyty, ponieważ taka zmiana nie nastąpiła.

Brak jakiejkolwiek regionalnej anomalii przepływu ciepła wykrytej wokół wymarłych wysp i gór podwodnych wskazuje, że wulkany są lokalnymi cechami termicznymi. Zgodnie z teorią płyt, system hawajski-cesarski powstał w regionie rozszerzenia płyty Pacyfiku. Wydłużenie w płycie jest konsekwencją odkształcenia na granicach płyt, skurczu termicznego i dopasowania izostatycznego. Rozszerzenie powstało na rozszerzającym się grzbiecie około 80 mA. Pole naprężeń płyty ewoluowało przez następne 30 milionów lat, powodując migrację regionu rozszerzenia i wynikającego z niego wulkanizmu z południa na południowy wschód. Około 50 mA pole naprężeń ustabilizowało się, a obszar rozszerzenia stał się prawie nieruchomy. W tym samym czasie ruch płyty Pacyfiku w kierunku północno-zachodnim nasilił się iw ciągu następnych 50 milionów lat łańcuch hawajski uformował się, gdy płyta poruszała się po prawie stacjonarnym obszarze rozszerzenia.

Rosnące tempo aktywności wulkanicznej w systemie Hawaiian-Emperor odzwierciedla dostępność wytopu w skorupie i płaszczu. Najstarsze wulkany w łańcuchu cesarskim powstały na młodej, a więc cienkiej litosferze oceanicznej. Rozmiar gór podwodnych wzrasta wraz z wiekiem dna morskiego, co wskazuje, że dostępność stopu wzrasta wraz z grubością litosfery. Sugeruje to, że topnienie dekompresyjne może się przyczynić, ponieważ oczekuje się, że to również wzrośnie wraz z grubością litosfery. Znaczący wzrost magmatyzmu w ciągu ostatnich 2 milionów lat wskazuje na znaczny wzrost dostępności wytopu, co sugeruje, że udostępniono albo większy zbiornik wcześniej istniejącego wytopu, albo wyjątkowo topliwy region źródłowy. Dowody petrologiczne i geochemiczne sugerują, że źródłem tym może być stara zmetamorfizowana skorupa oceaniczna w astenosferze, wysoce topliwy materiał, który wytwarzałby znacznie większe objętości magmy niż skały płaszcza.

Hipoteza wpływu

Oprócz tych procesów wiadomo, że zdarzenia uderzeniowe, takie jak te, które utworzyły krater Addams na Wenus i Sudbury Igneous Complex w Kanadzie, spowodowały topnienie i wulkanizm. W hipotezie zderzenia proponuje się, że niektóre regiony wulkanizmu z gorącymi punktami mogą być wywołane przez pewne uderzenia oceaniczne o dużych ciałach, które są w stanie przeniknąć przez cieńszą litosferę oceaniczną, a wulkanizm bazaltowy powodziowy może zostać wywołany przez zbieżną energię sejsmiczną skupioną w punkt antypodalny naprzeciwko głównych miejsc uderzenia. Wulkanizm wywołany uderzeniem nie został odpowiednio zbadany i obejmuje oddzielną kategorię przyczynową wulkanizmu ziemskiego, mającą implikacje dla badania gorących punktów i tektoniki płyt.

Porównanie hipotez

W 1997 r. możliwe stało się wykorzystanie tomografii sejsmicznej do zobrazowania zanurzonych płyt tektonicznych przenikających z powierzchni aż do granicy rdzeń-płaszcz.

W przypadku hotspotu na Hawajach długookresowa tomografia dyfrakcyjna fal sejsmicznych dostarczyła dowodów na to, że odpowiedzialny jest pióropusz płaszcza, jak zaproponowano już w 1971 r. W przypadku hotspotu Yellowstone dowody sejsmologiczne zaczęły się zbiegać od 2011 r. na poparcie model pióropuszu, jak podsumowali James i in., „opowiadamy się za pióropuszem z niższego płaszcza jako źródłem gorącego punktu Yellowstone”. Dane pozyskane przez Earthscope , program zbierający dane sejsmiczne o wysokiej rozdzielczości w sąsiednich Stanach Zjednoczonych , przyspieszyły akceptację smugi leżącej pod Yellowstone.

Chociaż istnieją mocne dowody ^{[ wymagane wyjaśnienie ]} , że co najmniej dwa głębokie pióropusze płaszcza ^{[ które? ]} wzniosą się do granicy jądra i płaszcza, potwierdzenie, że inne hipotezy można odrzucić, może wymagać podobnych dowodów tomograficznych dla innych gorących punktów.

Zobacz też

Delaminacja (geologia) - Utrata części najniższej litosfery z płyty tektonicznej, do której była przyczepiona
Ruch epeirogenny - wstrząsy lub zagłębienia terenu wykazujące długie fale i niewielkie fałdowanie
Orogeneza - Powstawanie pasm górskich
Verneshot - hipotetyczna erupcja wulkanu spowodowana nagromadzeniem gazu głęboko pod kratonem

Dalsza lektura

Anderson, DL (2001). „Tektonika z góry na dół” . nauka . 293 (5537): 2016–2018. doi : 10.1126/science.1065448 . PMID 11557870 . S2CID 19972709 .

Anderson, DL (2007). Nowa teoria Ziemi . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9781139462082 .

Christiansen, RL; Foulger, GR; Evans, JR (2002). „Pochodzenie z górnego płaszcza hotspotu Yellowstone” . Biuletyn GSA . 114 (10): 1245-1256. Bibcode : 2002GSAB..114.1245C . doi : 10.1130/0016-7606(2002)114<1245:UMOOTY>2.0.CO;2 .

Foulger, GR (2007). „Model„ płytkowy ”genezy anomalii topnienia”. w Foulger, GR; Jurdy, DM (red.). Płyty, pióropusze i procesy planetarne: Geological Society of America Special Paper 430 . Towarzystwo Geologiczne Ameryki. s. 1–28. ISBN 978-0813724300 .

Foulger, GR (2010). Płyty kontra pióropusze: kontrowersje geologiczne . Oksford: Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4443-3679-5 .

Foulger, GR (2020). „Płytowa teoria wulkanizmu” . MantlePlumes.org . Źródło 10 grudnia 2020 r .

Foulger, GR (2021). „Teoria płyt dla wulkanizmu”. W Alderton, D.; Elias, SA (red.). Encyklopedia geologii (wyd. Drugie). Prasa akademicka, Oxford. s. 879–890. doi : 10.1016/B978-0-08-102908-4.00105-3 . ISBN 9780081029091 . S2CID 226685034 .

Foulger, GR; Natland, JH (2003). „Czy wulkanizm„ gorących punktów ”jest konsekwencją tektoniki płyt?” . nauka . 300 (5621): 921–922. doi : 10.1126/science.1083376 . PMID 12738845 . S2CID 44911298 .

Hamilton, WB (2011). „Tektonika płyt rozpoczęła się w czasach neoproterozoicznych, a pióropusze z głębokiego płaszcza nigdy nie działały” . litos . 123 (1–4): 1–20. Bibcode : 2011Litho.123....1H . doi : 10.1016/j.lithos.2010.12.007 .

Iwanow, A. (2007). „Ocena różnych modeli pochodzenia pułapek syberyjskich”. W Foulger, G., GR; Jurdy, DM (red.). Płyty, pióropusze i procesy planetarne: Geological Society of America Special Paper 430 . Tom. 430. Towarzystwo Geologiczne Ameryki. s. 669–692. doi : 10.1130/2007.2430(31) . ISBN 9780813724300 .

Korenaga, J. (2005). „Dlaczego płaskowyż Ontong Java nie uformował się pod powietrzem?” . Listy dotyczące nauki o Ziemi i planetach . 234 (3–4): 385–399. doi : 10.1016/j.epsl.2005.03.011 .

Lustrino, M. (2016). „(Ponad) pięćdziesiąt odcieni pióropuszy”. W Calcaterra, D.; Mazzoli S.; Petti, FM; Carmina, B.; Zuccari, A. (red.). Nauki o Ziemi na zmieniającej się planecie: uczenie się z przeszłości, odkrywanie przyszłości . 88. Krajowy Kongres Włoskiego Towarzystwa Geologicznego . Towarzystwo Geologiczne Włoch. P. 235. doi : 10.13140/RG.2.2.10244.12165 .

Meibom, A.; Anderson, DL; Sen, NH; Frei, R.; Szambelan, CP; Hren, MT; Drewniane, JL (2003). „Czy wysokie stosunki 3He / 4He w bazaltach oceanicznych są wskaźnikiem składników pióropusza z głębokiego płaszcza?” . Listy dotyczące nauki o Ziemi i planetach . 208 (3–4): 197–204. Bibcode : 2003E&PSL.208..197M . doi : 10.1016/S0012-821X(03)00038-4 .

Moore, A.; Blenkinsop, T.; Cotterill, F. (2008). „Kontrola wulkanizmu alkalicznego po Gondwanie w Afryce Południowej” . Listy dotyczące nauki o Ziemi i planetach . 268 (1–2): 151–164. Bibcode : 2008E&PSL.268..151M . doi : 10.1016/j.epsl.2008.01.007 .

Natland, JH; Winterer, EL (2005). „Kontrola szczelin podczas działań wulkanicznych na Pacyfiku”. w Foulger, GR; Natland, JH; Presnall, DC; Anderson, DL (red.). Płyty, pióropusze i paradygmaty: Geological Society of America Special Paper 388 . Towarzystwo Geologiczne Ameryki. s. 687–710. doi : 10.1130/0-8137-2388-4.687 . ISBN 9780813723884 .

Niu, Y. (2009). „Niektóre podstawowe koncepcje i problemy dotyczące petrogenezy bazaltów wysp oceanicznych wewnątrz płyt” . Chiński biuletyn naukowy . 54 (22): 4148–4160. Bibcode : 2009ChSBu..54.4148N . doi : 10.1007/s11434-009-0668-3 . S2CID 55429423 .

Pokój, AL; Foulger, GR; Schiffer, C.; McCaffrey, KJW (2017). „Ewolucja zatoki Labrador Sea-Baffin: procesy płytkowe czy pióropuszowe?” . Nauka o Ziemi Kanada . 44 (3): 91–102. doi : 10.12789/geocanj.2017.44.120 . S2CID 54945634 .

Presnall, D.; Gudfinnsson, G. (2011). „Wulkanizm oceaniczny ze strefy niskiej prędkości - bez pióropuszy płaszcza” . Dziennik Petrologii . 52 (7–8): 1533–1546. doi : 10.1093/petrology/egq093 .

Sheth, HC (2005). „Czy bazalty powodziowe Dekanu pochodziły częściowo ze starożytnej skorupy oceanicznej w indyjskiej litosferze kontynentalnej?” . Badania Gondwany . 8 (2): 109–127. Bibcode : 2005GondR...8..109S . doi : 10.1016/S1342-937X(05)71112-6 .

Smith, AD; Lewis, C. (1999). „Planeta poza hipotezą pióropusza” . Recenzje nauk o Ziemi . 48 (3): 135–182. Bibcode : 1999ESRv...48..135S . doi : 10.1016/S0012-8252(99)00049-5 .

van Wijk, JW; Huismans, RS; Ter Voorde, M.; Cloetingh, SAPL (2001). „Tworzenie topnienia na wulkanicznych obrzeżach kontynentów: nie potrzeba pióropusza płaszcza?” . Listy z badań geofizycznych . 28 (20): 3995–3998. Bibcode : 2001GeoRL..28.3995V . doi : 10.1029/2000GL012848 .

Wójt, PR; Jung, WY. (2007). „Pochodzenie wulkanów Bermudów i powstania Bermudów: historia, obserwacje, modele i zagadki”. W Foulger, G., GR; Jurdy, DM (red.). Płyty, pióropusze i procesy planetarne: Geological Society of America Special Paper 430 . Towarzystwo Geologiczne Ameryki. s. 553–592. doi : 10.1130/2007.2430(27) . ISBN 9780813724300 .

Linki zewnętrzne