Вулканизм связали с «подземными океанами» в мантии Земли

Вещество с поверхности планеты, благодаря движению тектонических плит, периодически опускается вглубь. Затем, с извержениями вулканов (но не только), вновь поднимается вверх. Однако конкретные механизмы и скорости этих процессов ясны довольно плохо.

Исследователи из Норвегии решили прояснить ряд этих вопросов с помощью моделирования динамики плит и верхней части земной мантии. Их статью опубликовали в Geochemistry, Geophysics, Geosystems.

На глубине от семи (под океанами) до 70 (под континентами) километров от поверхности земная кора заканчивается, начинается мантия. Вещество там находится под высоким давлением и сильно разогрето. Верхняя мантия по составу отличается от нижней, это установили по изменению скорости распространения сейсмических волн, проходящих через них. Два эти слоя мантии разделяются промежуточным — так называемым слоем Голицына, лежащим между 410 и 670 километрами.

В XXI веке различные научные группы, куда входили и российские исследователи, установили, что в слое Голицына немало минералов, содержащих воду. Хотя чистого океана там, конечно, быть не может в силу температур, из-за большой толщины слоя воды в нем в несколько раз больше, чем в поверхностных океанах. Считается, что вода попадает туда с кусками земной коры, увлекаемой вниз субдукцией. Так называют процесс «наезда» одной литосферной плиты на другую, после которого «накрытые» края плиты тонут в мантии.

Авторы новой научной работы наложили карту погружения частей земной коры в мантию за последние 400 миллионов лет на карту так называемого внутриплитного вулканизма. Они обнаружили между этими явлениями явную связь.

Большинство серьезных землетрясений и извержений на Земле происходят на стыке литосферных плит. Однако есть исключения: вулканы Канарских островов, Гавайев и Таити не находятся на стыке плит, тем не менее периодически они дают достаточно мощные извержения вулканов. Эти события называют внутриплитным вулканизмом, к ним часто относят и извержение Йеллоустонского супервулкана 0,6 миллиона лет назад.

Наложение карт показало, что там, где в слой Голицына быстро погружались крупные блоки земной коры — со скоростью выше 10 километров в миллион лет, — впоследствии куда чаще случался внутриплитный вулканизм. Временной разрыв между погружением блока в слой Голицына и извержениями над этой зоной составлял от 10 до 30 миллионов лет. Всего от 42 до 68% событий внутриплитного вулканизма в последние 200 миллионов лет случились как раз над «мокрыми» зонами мантии.

Чаще всего погружение блоков с химически связанной водой в мантию случалось в юрском периоде. Начиная с мелового периода континенты начали «наезжать» туда, где в 410-670 километрах под ними располагались богатые водой части мантии. Но были и зоны, под которыми воды в мантии было немного, поскольку туда давно не погружались куски земной коры.

Исследователи относят к ним Южную Африку, Западную Европу и север Тихого океана. Напротив, больше всего «мокрой» мантии было под западом Северной Америки, Восточной Австралией и Восточной Азией. Там внутриплитный вулканизм последние 200 миллионов лет был активен.

Ученые не останавливаются на конкретных механизмах, с помощью которых вода в мантии стимулирует извержения в континентальной части коры. Впрочем, известно, что при высоких температурах часть минералов, содержащих воду, могут ее терять. Затем перегретый водяной пар способен подниматься вверх, провоцируя землетрясения и извержения.

Норвежские исследователи показали, что слой Голицына должен быть насыщен водой весьма неравномерно. Значит, сила внутриплитного механизма серьезно различается в разных частях мира неслучайно, а потому, что подпитывающий ее объем воды неодинаков.