Вулканологи обнаружили под тропическим островом столб магмы, который помнит первозданную Землю. Ученые столкнулись с удивительной проблемой, ведь само существование подобной геологической структуры бросает вызов законам термодинамики и может привести к катастрофе. Тем не менее она играла и будет играть ключевую роль в истории планеты.
По-видимому, причиной мощной вулканической активности является так называемый ветвящийся мантийный плюм, который состоит из раскаленного вещества, скрытого в глубинах земной мантии.
Французский остров Реюньон, расположенный в западной части Индийского океана, можно уподобить кусочку жевательного зефира маршмэллоу, который словно нависает над рабочим концом паяльной лампы. Остров расположен над одним из так называемых мантийных плюмов Земли (плюм — это гигантский восходящий поток перегретой породы, формирующий вертикальную геологическую структуру, которая поднимается из земной мантии, а затем начинает сильно разогревать основания тектонических плит; при этом, тектонические плиты напоминают, образно говоря, кусочки мозаики, из которых составлен наш земной шар, непрерывно меняющий свой облик). Результаты воздействия мантийного плюма трудно не заметить: на Реюньоне находится один из самых мощных на нашей планете и гиперактивных вулканов, которому дано меткое название Питон-де-ла-Фурнез (в переводе «Вершина печи»).
Но активность мантийного плюма в наше время даже нельзя сравнивать с той активностью, которая была в прошлом.
Около 65 миллионов лет назад, когда мантийный плюм находился под той территорией, где сейчас расположена Индия, один за другим происходили разливы лавы — их следами являются так называемые Деканские траппы [Деканские траппы, или Траппы плато Декан — крупная магматическая провинция, расположенная на плоскогорье Декан в западной и центральной частях Индии; Деканские траппы — это одно из крупнейших вулканических образований на Земле — прим. перев.]. Данный процесс продолжался на протяжении 700 тысяч лет, что по геологическим часам весьма немного; на протяжении этого времени лавовые потоки затопили 1,5 миллиона квадратных километров земной поверхности (это все равно, что полностью затопить штаты Техас, Калифорнию и Монтану). Динозавры могли погибнуть от удара гигантского астероида, однако из-за самогó факта существования Деканских траппов мы не можем с уверенностью сказать о том, в каких же все-таки климатических условиях приходилось в действительности выживать динозаврам.
В 2012 году группа геофизиков и сейсмологов приступила к выяснению очертаний мантийного плюма, развернув гигантскую сеть сейсмометров на огромных глубинах морского дна Индийского океана. Спустя почти десять лет ученые установили, что мантия — это вещь более странная, чем ожидалось. В июньском номере журнала Nature Geoscience ученые сообщили, что мантийный плюм — это не просто магматическая столбообразная структура. Выяснилось, что из расплавленного сердца нашей планеты поднимается гигантский мантийный плюм, напоминающий «дерево», от которого по диагонали расходятся перегретые ветвистые структуры. По мере приближения этих ветвей к земной коре, из них, судя по всему, вырастают более мелкие, вертикально поднимающиеся ответвления — сверхгорячие мантийные плюмы, над которыми на поверхности Земли расположены хорошо известные горячие точки, в которых наблюдается продолжительная вулканическая активность.
Открытие этой массивной структуры, расположенной под островом Реюньон, почти совпадает с еще одним недавним научным открытием, о котором ученые сообщили в ноябре, — обнаружением дополнительных структур в мантийных плюмах под Африканским континентом. Оба этих открытия следует признать в качестве значительных научных достижений, поскольку мы благодаря им теперь понимаем, что мантийные плюмы могут отличаться друг от друга, обладая бóльшим своеобразием; кроме того, они характеризуются большей специфичностью, что не было учтено в общепринятых математических моделях.
Корень этого расположенного под Реюньоном подземного дерева, о котором ученые узнали из предыдущих публикаций, вероятно, является одной из древнейших геологических структур, возраст которой, быть может, даже совпадает с возрастом планеты Земля. Возможно, что мантийные плюмы непрерывно ответвлялись от этого раскаленного дерева на протяжении миллиардов лет. Если предположить, что в настоящее время всё новые и новые ветви продолжают расти, то получается, что у ученых теперь появляется возможность заглянуть в огненное будущее Земли.
«Изучив границу между земным ядром и мантией, можно будет с некоторой вероятностью предсказать, в каких именно местах появятся новые океаны», — сказала одна соавторов статьи Карин Сиглох (Karin Sigloch). К роме того, ученые могут показать те области на поверхности Земли, которые когда-нибудь полностью исчезнут. Если верить новым математическим моделям, то получится, что через несколько десятков миллионов лет вам, скорее всего, вряд ли захочется оказаться где-нибудь в Южной Африке, а, может быть, и вообще на планете Земля.
Огненные фонтаны
Еще в 1960-х годах теория тектоники плит быстрыми темпами завоевывала себе признание, но несмотря на это, некоторые геологические объекты было не так-то просто объяснить. Хотя теория и предложила некоторые ответы на вопросы, которые долгое время не давались ученым (например, где появляются вулканы, рождается земля, формируются океанические бассейны, в каких местах была уничтожена древняя земная кора), тем не менее, она не смогла объяснить, например, такие феномены, как, например, Гавайские острова.
Теория тектоники плит утверждает, что по границам тектонических плит (т.е. там, где две плиты сталкиваются между собой, скользят одна над другой, трутся друг о друга или же расходятся) происходит бóльшая часть всех, если можно так выразиться, геологических фейерверков нашей планеты. В Тихоокеанском вулканическом огненном кольце (так называется подковообразная область по периметру Тихого океана, которая проходит по границам многих плит, окружающих Тихоокеанскую плиту) находится 75% всех действующих вулканов мира.
Но несмотря на тот факт, что Гавайские острова расположены далеко от границы литосферных плит, на Гавайском архипелаге мы тоже неожиданно находим гигантские вулканы. Так, например, действующий подводный вулкан Лоихи у юго-восточного берега острова Гавайи является самым молодым из множества вулканов, образовавших собой дугообразную вулканическую цепь длиной 6 тысяч километров, в которую входят также и давно уже не действующие подводные вулканы, локализованные в северо-западной части Тихого океана. С геологической точки зрения это явление, известное как внутриплитный вулканизм, считалось отклонением от нормы.
В 1963 году канадский геофизик Джон Тузо Уилсон (John Tuzo Wilson) предположил, что вышеупомянутые вулканические цепи образуются в результате непрерывного дрейфа тектонической плиты над стационарными горячими точками в мантии, т.е. раскаленной горной породой, составляющей 84% объема Земли. В результате возникает цепь вулканов, которые извергаются, растут, а затем полностью прекращают свою активность по мере того, как плита движется в противоположном направлении от источника локализации магматического горючего. В 1971 году американский геофизик Уильям Джейсон Морган (William Jason Morgan) выдвинул гипотезу, согласно которой эти горячие точки образовались под действием мантийных плюмов, состоящих из очень горячего расплава, поднимающегося из нижней части мантии.
В последующие десятилетия геофизики пришли к выводу, что температура породы, из которой сложены плюмы, примерно на 200 градусов по Цельсию выше температуры остальных пород мантии. Когда мантийные плюмы достигают основания тектонических плит, они под воздействием своего огнедышащего жара расплавляют окружающую их породу, в результате чего образуется большое количество магмы. Кроме того, плюмы переносят из глубин Земли материал мантии. Удаляясь от ядра, этот материал начинает плавиться при более низких давлениях, перемещая дополнительные массы магмы в земную кору. Фактор усиленного перемещения горячей магмы к поверхности Земли хорошо объясняет наличие большого количества внутриплитных вулканов [т.е. вулканов, расположенных не на периферии, а на значительных расстояниях от границы плиты, — прим. перев.].
Сам факт наличия вулканических цепей, известных также как «следы горячих точек», объясняется не иначе как при помощи гипотезы о магматических плюмах. Одним из примеров мантийного плюма, локализованного в мировом океане, являются Гавайские острова, однако плюмы есть и на суше — это супервулкан Йеллоустоун, самая молодая из горячих точек; его возраст насчитывает не менее 17 миллионов лет. Из супервулкана Йеллоустоун вырвалось на поверхность Земли, охватывавшую территории Тихоокеанского северо-запада США, 210 тысяч кубических километров лавы, после этого сформировалась дуга гигантских вулканических котловин, протянувшаяся между штатами Орегон и Вайоминг (она представляет собой покрытую рубцами поверхность, образовавшуюся, бесспорно, в результате действия мантийного плюма).
О существовании мантийных плюмов также говорят данные химического анализа. Существуют два стабильных типа гелия: гелий-3 и гелий-4. Гелий-3 присутствует в глубоких слоях Земли с того времени, когда наша планета еще только формировалась, и потому можно с определенностью сказать, что он присутствует там с древнейших геологических времен. Из нескольких вулканов, расположенных в горячих точках, в том числе Килауэа на Гавайских островах, извергаются огромные потоки лавы. Специалист в области петрологии Годфри Фиттон (Godfrey Fitton) из Эдинбургского университета предположил, что в этих вулканах со значительной глубины поднимается мантийное вещество, и данный процесс можно вполне удовлетворительно объяснить с помощью гипотезы о существовании мантийного плюма.
Сейсмические явления
Никому еще не удалось увидеть мантийный плюм, так сказать, воочию; существуют всего лишь предположения о том, что он существует. Однако эту гипотезу ученые подкрепили с помощью многочисленных доказательств.
Убедительным свидетельством явились сейсмические волны. Возникнув в результате землетрясения, сейсмические волны распространяются сначала к центру Земли, а потом поднимаются обратно к земной поверхности. Когда сейсмическая волна проходит через геологические тело, ее скорость и траектория меняется. Эта информация собирается с помощью сейсмометров, после чего специалисты на основе полученных данных выясняют, что скрывается в земных глубинах.
Скорость распространения сейсмических волн через горячие породы замедляется; в некоторых исследованиях было установлено, что они подчас замедляются также при распространении через удлиненные структуры, которые, поднимаясь из глубокой мантии, соединяются с вулканическими горячими точками на поверхности.
Сейсмологи также обнаружили две гигантские каплеобразные структуры (одна под Африканским континентом, другая под Тихим океаном), которые находятся по обе стороны границы, пролегающей между мантией и ядром. Когда сейсмические волны проходят через обе гигантские капли на глубине, их скорость замедляется; данный факт говорит о том, что эти каплеобразные структуры представляют собой горячие колоссы, общая площадь поверхности которых составляет около 30% всей поверхности, разграничивающей ядро и мантию.
Для описания происхождения этих двух гигантских капель были предложены разные гипотезы, начиная от скопления несуществующих ныне тектонических плит и кончая иссеченными остатками протопланеты Тейи, которая столкнулась с молодой Землей, в результате чего возникла Луна. По словам геофизика Саскии Гус (Saskia Goes) из Имперского колледжа Лондона, мантийные плюмы Земли за некоторыми исключениями (и одним из них является Йеллоустон), судя по всему, связаны с одной из этих двух гигантских капель. Таким образом, выходит, что они внесли свой вклад в процесс формирования большинства других плюмов.
Но сейсмология — это отнюдь не истина в последней инстанции. Да, сейсмические волны, конечно же, способны обнаруживать те или иные структуры, присутствующие в земной мантии, но они не могут выявить все характеристики этих структур. «В разогретой породе скорость распространения сейсмической волны замедляется», — напомнила геофизик Харриет Лау (Harriet Lau) из Калифорнийского университета в Беркли. Но тот же самый результат может получиться и в результате изменения химического состава геологической породы. Вот почему всякий раз в процессе измерений ученые вынуждены выбирать между этими двумя факторами, в силу которых скорость распространения сейсмической волны меняется. Словом, сейсмология — это не только непростая наука, но и в каком-то роде искусство.
Кроме того, подкоровые структуры умеют маскироваться. В процессе своего перемещения, сейсмические волны стремятся двигаться с максимально возможной скоростью — они устремляются в те слои, где присутствуют более холодные твердые породы. Таким образом, горячие мантийные плюмы как бы отталкивают от себя сейсмические волны. Кроме того, поскольку плюмы — это структуры, которые не обладают большой толщиной, большинство сейсмических волн с легкостью их обходит.
Чем больше сейсмических волн проходит через одну и ту же точку мантийного плюма, тем выше вероятность того, что он все-таки существует. Однако, по словам геофизика Кэтрин Рихерт (Catherine Rychert) из Саутгемптонского университета, «землетрясения происходят не везде». При этом, сейсмические станции находятся в основном на суше, а не на морском дне. Это означает, что у нас имеется неполная информация о сейсмической активности в мировом океане.
«В принципе, мы знаем, что [плюмы] должны существовать, — поясняет Харриет Лау. — Но их непросто обнаружить с помощью сейсморазведки». Следовательно, сейсмические волны захватывают только отдельные части мантийных плюмов, при этом их свойства подчас оказываются предметом научных споров.
В конечном итоге, ученые хотели бы получить полное изображение плюма, поднимающегося от основания мантии к земной поверхности. Для этого потребовалось бы на огромной территории расставить большое количество сейсмометров, образующих собой, своего рода, большую ловушку, которая могла бы поглощать максимальный поток сейсмических волн. Это нам позволило бы рассмотреть сегмент земной мантии значительных размеров — своего рода гигантский сейсмический телескоп.
И вот, в 2012 году ученые его построили.
Древо и истина
В том году два судна по замысловатой траектории, зигзагообразно, пересекли западную часть Индийского океана, время от времени останавливаясь, чтобы установить на океанском дне сейсмометры. Всего было установлено 57 сейсмометров, в результате чего ученые могут теперь охватить своими наблюдениями территорию площадью 2 тыс. квадратных километров. К этой территории с гигантской апертурой нужно добавить 37 сейсмических станций, расположенных на Мадагаскаре и различных более мелких островах.
Этот гигантский телескоп работал в течение тринадцати месяцев — т.е. с 2012 по 2013 год. Его цель — наблюдение за реюньонским мантийным плюмом, одним из самых значительных источников подземного огня, украшавших нашу планету на протяжении последних ста миллионов лет.
И вот, группа ученых решила посмотреть, что же заглянуть в свой «мантийный телескоп». Полученные данные специалисты объединили с двумя другими наборами сейсмической информации и были потрясены, когда увидели, что тонкий вертикальный мантийный плюм, расположенный под Реюньоном, просто соединен с нижней мантией. В этот момент Мария Цехмистренко (Maria Tsekhmistrenko), на тот момент студентка, учившаяся у Карин Сиглох в Оксфордском университете, вспоминает, как в тот момент ей подумалось: «Ой, я, должно быть, с чем-то сильно напутала. Все идет не так как надо. В общем, докторской степени мне не видать».
Но после того, как были проанализированы данные по всему региону, перед командой ученых открылась поразительная картина. Оказалось, что гигантская каплеобразная структура, находящаяся на глубине 2900 километров под поверхностью Африканского континента, как бы вырастает из средней части исследуемого региона, образуя «ствол» и добирается до глубины 1500 километров. Судя по всему, от верхушки этого ствола, т.е. из западных и восточных его краёв, расползается в виде ветвей расплавленная порода. Эти ветви идут по диагонали вверх до тех пор, пока не достигают глубин от 1000 до 800 километров; затем, из верхушек этих ветвей, в свою очередь, вырастают тонкие ветви, вертикально поднимающиеся вверх.
Одно из таких тонких ответвлений как раз и достигает основания острова Реюньон, характеризующегося сверхвысокой вулканической активностью. Примерно в 3000 км на северо-западе появляется другая диагональная ветвь, которая тянется к Восточной Африке, а этот регион характеризуется сильной вулканической активностью; при этом, в данной регионе, утверждают ученые, учеными в ходе предыдущих исследований сейсмической активности обнаружен один, а, возможно, два мантийных плюма.
Но ученые столкнулись с проблемой: само существование подобной геологической структуры бросает вызов законам термодинамики.
Мантийные плюмы сильно разогреты и способны относительно быстро подниматься к верхним слоям, они поднимаются быстро — в десять раз быстрее, чем скорость движения других геологических структур мантии, включая движение плит. По словам геофизика Саскии Гус, «плюмы очень быстры; в процессе перемещения они практически не отклоняются».
С ней согласны Мария Цехмистренко, Карин Сиглох и другие ученые: мантийные плюмы поднимаются строго вверх. При этом, древовидная структура свидетельствует о более сложном процессе, происходящем в земной мантии.
По мнению ученых, здесь имеет место следующий процесс: земное ядро разогревает африканскую каплеобразную структуру, включая ее ствол и вершину. Восточная и западная области горячей вершины этой гигантской капли, окруженные более холодными мантийными породами, обладают, если можно так сказать, значительной плавучестью. Затем, от каждого из мантийных концов отделяется 800-километровая капля; обе капли перемещаются в вертикальном направлении, на это уходят десятки миллионов лет. И, в конце концов, они достигают границы между плотной нижней мантией и менее плотной верхней мантией (эта граница расположена относительно неглубоко); там они расходятся в стороны. Из их вершин вырастают несколько «хвостов», которые опять поднимаются вертикально, образуя вытянутые башнеобразные структуры, которые традиционно называются плюмами.
Одна из этих двух подземных капель поднимается, продвигаясь в направлении Восточной Африки, а другая — к острову Реюньон; одновременно с этим, восточная и западная ответвления мантийного плюма (они в настоящее время расположены ближе к его середине) образуют собой две новые гигантские капли, которые также перемещаются вверх. Поскольку их отделение от плюма произошло на более позднем этапе, а расположены они на большей глубине (соответственно справа и слева от восточноафриканской и реюньонской гигантских капель), они напоминают собой диагонально соединенные между собой ветви. В действительности же, они представляют собой отдельные капли, перемещающиеся вертикально вверх.
Независимые ученые в целом одобрили эту научную работу. Как правило, единственной трудностью, с которой сталкиваются специалисты при решении задачи отображения структуры магматического плюма в высоком разрешении, является недостаточное количество сейсмических данных. Но на этот раз всё вышло по-другому, поясняет геофизик Кэтрин Райхерт, «и всё потому, что они проводили этот удивительный эксперимент в Индийском океане», в результате чего удалось поглотить значительную часть сейсмических волн.
Объединить данные, взятые из гигантского массива, вместе с дополнительными наборами сейсмоданных оказалось полезным, поскольку это позволило команде ученых получить точное отображение обширной полосы земной мантии — от ее максимальных глубин до минимальных. «С точки зрения сейсмологии это шаг вперед, — пояснила геофизик Каролина Литгоу-Бертеллони (Carolina Lithgow-Bertelloni) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. — В этом смысле я думаю, что результат великолепный».
По словам Годфри Фиттона, выявление древовидной геологической структуры — это «удивительный научный результат», а созданная учеными модель, которая описывает строение ее ветвей, исходящих из ядра, — «идея довольно-таки умная». Однако, предупреждает Фиттон, что эта тщательно продуманная модель, четко описывающая процессы происходящие в земной мантии, — лишь одна из нескольких возможных интерпретаций реальности. «Я полагаю, что это действительно крутая идея, — утверждает Кэтрин Рихерт. — Не знаю, насколько эта идея верна, но это круто».
«Сейсмическая томография — это, своего рода, фотоснимок, отражающий нынешнюю ситуацию», — говорит Каролина Литгоу-Бертеллони. Правда, предупреждает она, если говорить об отображении нынешнего состояния геологических структур, а также о гипотезах в отношении геологических событий прошлого и прогнозировании этих процессов, то во всем этом можно увидеть много неопределенного и неоднозначного.
Грядущие катаклизмы
Если предложенная учеными теоретическая модель окажется верной, то, следовательно, верными окажутся и два давно существовавших научных подхода. Во-первых, поясняет Саския Гус, поведение мантийных плюмов Земли «отнюдь не тривиально, его нельзя однозначно сравнивать с апвеллингом в концентрированных растворах, который моделируется в лабораториях» [апвеллинг — процесс подъема нижних слоев к поверхности; в океане — подъем глубинных вод к поверхности океана — прим.перев.]. Природе присуща сложность, при этом, природа зачастую озадачивает нас.
Во-вторых, эти гигантские подземные капли играли и будут играть ключевую роль в бурной истории планеты.
По мнению некоторых специалистов, мантийным плюмам, которые ответвляются от гигантской подземной капли, расположенной под африканским континентом, пришлось потратить не менее 120 миллионов лет на то, чтобы разорвать древний суперконтинент Гондвану на отдельные части. По мере того, как мантийные плюмы поднимались к его основанию, они его разогревали и ослабляли. Будто кроты, оставляющие после себя холмы, мантийные плюмы приподнимали вместе с собой и земную поверхность, которая впоследствии с них сползала. Австралия отделилась от Индии и Антарктиды, Мадагаскар от Африки, а Сейшельский микроконтинент от Индии — вот на какие разрушительные действия способен Индийский океан!
Если мантийный плюм или несколько плюмов под Восточной Африкой будут продвигаться дальше, то в результате этот процесс будет способствовать дезинтеграции африканского континента и, в частности, дроблению Восточной Африки и созданию какого-то нового микроконтинента, который появится рядом с самым молодым океаном в мире.
Но этот будущий тектонический разрыв покажется вам незначительным на фоне той катастрофы, которая может произойти на южной оконечности этого континента. Так, по оценкам ученых, через десятки миллионов лет подземная капля гигантских размеров отсоединится от центральной вершины мантийного плюма и начнет подниматься навстречу нынешнему фундаменту, на котором расположена Южная Африка. И этот процесс, по словам Карин Сиглох, станет причиной катастрофических извержений. Появление Деканских траппов связывается, надо полагать, с одиночным мантийным плюмом. Однако в будущем эта гигантская капля способна вызвать настолько мощный и активный вулканизм, что по сравнению с ним Деканские траппы покажутся всего лишь слабой вспышкой.
Мысли о грядущем вулканическом апокалипсисе способны вызывать беспокойство. Вот почему столь важно получить точные изображения плюмов, ведь именно эти геологические образования являются, еcли можно так сказать, вершителями жизни и смерти.
И все же, несмотря на весь хаос, который порождают мантийные плюмы, они представляют собой ключевой элемент тектоники платформ, т.е. непрекращающегося циклического процесса, в силу которого происходит неравномерное отложение и выбросы углерода и воды. В результате этих процессов, чудесным образом родилась пригодная для жизни планета, у которой появилась атмосфера, благоприятствующая возникновению жизни, и обширные океаны — так зарождается рай, созданный подземными исполинами. «Понимание тех процессов, которые происходят в недрах нашей планеты на протяжении миллиардов лет, необходимо нам для того, чтобы допустить саму возможность существования человечества в будущем», — сказала Кэтрин Рихерт.
Пройдет еще какое-то время, прежде чем ученым удастся досконально изучить исполинов, хозяйничающих в земной мантии. А покуда этот день еще не настал, специалистам придется непрерывно продолжать исследования процессов, протекающих в мантии, чутко улавливая звуки хтонических существ, повелевающих глубинами Земли.
По материалам Quanta Magazine (США)
-1.thumb.jpg)
