Plášťový chochol -Mantle plume
Plášťový oblak je navrhovaný mechanismus konvekce v zemském plášti , předpokládaný k vysvětlení anomálního vulkanismu. Protože vlečka částečně taje při dosahování mělkých hloubek, chochol je často uváděn jako příčina sopečných horkých míst , jako je Havaj nebo Island , a velkých magmatických provincií , jako jsou Deccan a Sibiřské pasti . Některé takové vulkanické oblasti leží daleko od hranic tektonických desek , zatímco jiné představují neobvykle velkoobjemový vulkanismus poblíž hranic desek.
Koncepty
Plášťové vlečky byly poprvé navrženy J. Tuzo Wilsonem v roce 1963 a dále vyvinuty W. Jasonem Morganem v letech 1971 a 1972. Plášťové vlečky existují tam, kde se přehřátý materiál tvoří ( nukleuje ) na hranici jádra a pláště a stoupá skrz zemský plášť. Spíše než souvislý proud je třeba na oblaky pohlížet jako na sérii horkých bublin materiálu. Dosáhnou křehké horní zemské kůry a vytvářejí diapiry . Tyto diapiry jsou "horké body" v kůře. Zejména koncept, že vlečky pláště jsou vůči sobě fixovány a ukotveny na rozhraní jádro-plášť, by poskytl přirozené vysvětlení progresivních řetězců starších sopek, které se rozprostírají z některých takových hotspotů, například z havajského – Řetěz Emperor Seamount . Paleomagnetická data však ukazují, že vlečky pláště mohou být také spojeny s velkými provinciemi s nízkou smykovou rychlostí (LLSVP) a pohybují se vzájemně vůči sobě.
Současná teorie vlečného pláště říká, že materiál a energie z nitra Země se vyměňují s povrchovou kůrou ve dvou odlišných a do značné míry nezávislých konvekčních tocích:
- jak bylo dříve teoretizováno a široce přijímáno, převládající, ustálený deskový tektonický režim řízený konvekcí svrchního pláště , hlavně potopením studených desek litosféry zpět do astenosféry .
- přerušovaný, přerušovaně dominantní režim převrácení pláště řízený konvekcí vlečky, která přenáší teplo nahoru z hranice jádra a pláště v úzkém sloupci. Tento druhý režim, i když je často nespojitý, je periodicky významný při budování hor a rozpadu kontinentů.
Hypotéza vlečky byla simulována laboratorními experimenty v malých nádržích naplněných tekutinou na počátku 70. let 20. století. Tepelné nebo kompoziční fluidně-dynamické vlečky vyrobené tímto způsobem byly prezentovány jako modely pro mnohem větší postulované vlečky pláště. Na základě těchto experimentů se nyní předpokládá, že vlečky pláště se skládají ze dvou částí: dlouhé tenké potrubí spojující vršek vlečky s jeho základnou a baňatou hlavu, která se zvětšuje, jak se vlečka zvedá. Celá struktura připomíná houbu. Baňkovitá hlava tepelných oblaků se tvoří, protože horký materiál se pohybuje potrubím nahoru rychleji, než samotný oblak stoupá svým okolím. Na konci 80. a na začátku 90. let experimenty s tepelnými modely ukázaly, že jak se baňatá hlava roztahuje, může strhnout část přilehlého pláště do hlavy.
Velikost a výskyt vleček houbového pláště lze předpovědět pomocí teorie přechodné nestability Tana a Thorpa. Teorie předpovídá houbovité vlečky pláště s hlavami o průměru asi 2000 km, které mají kritickou dobu (dobu od začátku zahřívání spodního pláště do vytvoření vlečky) asi 830 milionů let pro tepelný tok jádra pláště 20 mW. /m 2 , zatímco doba cyklu (doba mezi událostmi tvorby vlečky) je asi 2000 milionů let. Předpovídá se, že počet vleček pláště bude asi 17.
Když hlava vlečky narazí na základnu litosféry, očekává se, že se vyrovná proti této bariéře a podstoupí rozsáhlé dekompresní tání za vzniku velkých objemů čedičového magmatu. Poté může vybuchnout na povrch. Numerické modelování předpovídá, že tání a erupce budou probíhat během několika milionů let. Tyto erupce byly spojeny se záplavovými čediči , ačkoli mnoho z nich vybuchuje v mnohem kratších časových měřítcích (méně než 1 milion let). Příklady zahrnují pasti Deccan v Indii, sibiřské pasti v Asii, čediče/dolerity Karoo-Ferrar v Jižní Africe a Antarktidě, pasti Paraná a Etendeka v Jižní Americe a Africe (dříve jedna provincie oddělená otevřením jižního Atlantského oceánu ), a čediče řeky Columbia v Severní Americe. Povodňové čediče v oceánech jsou známé jako oceánské plošiny a zahrnují plošinu Ontong Java v západním Tichém oceánu a plošinu Kerguelen v Indickém oceánu.
Úzké vertikální potrubí, které má spojovat hlavu vlečky s rozhraním jádro-plášť, je považováno za poskytující nepřetržitý přísun magmatu do horkého bodu. Jak se překrývající tektonická deska pohybuje nad tímto hotspotem, očekává se, že erupce magmatu z pevného oblaku na povrch vytvoří řetězec vulkánů, který je paralelní s pohybem desek. Typickým příkladem je řetězec Havajských ostrovů v Tichém oceánu. Nedávno bylo zjištěno, že vulkanické místo tohoto řetězce nebylo v průběhu času fixováno, a připojil se tak ke klubu mnoha typových příkladů, které nevykazují původně navrhovanou klíčovou charakteristiku.
Erupce kontinentálních záplavových bazaltů je často spojována s kontinentálními trhlinami a rozpadem. To vedlo k hypotéze, že vlečky pláště přispívají ke kontinentálním trhlinám a vytváření oceánských pánví.
Chemie, tepelné proudění a tání
Chemické a izotopové složení čedičů nalezených v hotspotech se nepatrně liší od bazaltů ze středních oceánských hřbetů. Tyto bazalty, také nazývané oceánské ostrovní bazalty (OIB), jsou analyzovány ve svém radiogenním a stabilním izotopovém složení. V radiogenních izotopových systémech vytváří původně subdukovaný materiál odlišné trendy, nazývané složky pláště. Identifikované složky pláště jsou DMM (plášť z ochuzeného středooceánského čedičového (MORB) pláště), HIMU (plášť s vysokým poměrem U/Pb), EM1 (obohacený plášť 1), EM2 (obohacený plášť 2) a FOZO (zóna ohniska). Tento geochemický podpis vzniká smícháním materiálů v blízkosti povrchu, jako jsou subdukované desky a kontinentální sedimenty, ve zdroji pláště. K tomu existují dva konkurenční výklady. V souvislosti s vlečkami pláště se předpokládá, že materiál z blízkého povrchu byl transportován dolů na hranici jádra a pláště podsouváním desek a že byl transportován zpět nahoru na povrch vlečky. V kontextu hypotézy o deskách je subdukovaný materiál většinou recirkulován v mělkém plášti a odtud je odčerpáván vulkány.
Stabilní izotopy jako Fe se používají ke sledování procesů, které materiál povstání zažívá během tavení.
Zpracování oceánské kůry, litosféry a sedimentu subdukční zónou odděluje ve vodě rozpustné stopové prvky (např. K, Rb, Th) od nepohyblivých stopových prvků (např. Ti, Nb, Ta) a koncentruje imobilní prvky v oceánská deska (ve vodě rozpustné prvky se přidávají do kůry v ostrovních obloukových sopkách). Seismická tomografie ukazuje, že subdukované oceánské desky klesají až ke dnu přechodové zóny pláště v hloubce 650 km. Subdukce do větších hloubek je méně jistá, ale existují důkazy, že mohou klesnout do středních hloubek spodního pláště v hloubce asi 1500 km.
Předpokládá se, že zdrojem oblaků pláště je hranice jádra a pláště v hloubce 3 000 km. Protože existuje malý transport materiálu přes hranici jádra a pláště, musí k přenosu tepla docházet vedením s adiabatickými gradienty nad a pod touto hranicí. Hranice jádra a pláště je silná tepelná (teplotní) diskontinuita. Teplota jádra je přibližně o 1000 stupňů Celsia vyšší než teplota nadložního pláště. Předpokládá se, že vlečky stoupají, jak se základna pláště stává teplejší a vznášející se.
Předpokládá se, že vlečky stoupají skrz plášť a začínají částečně tát při dosažení mělkých hloubek v astenosféře dekompresním táním . To by vytvořilo velké objemy magmatu. Tato tavenina stoupá na povrch a erupce tvoří horké skvrny.
Spodní plášť a jádro
Nejvýraznější tepelný kontrast, o kterém je známo, že existuje v hlubokém (1000 km) plášti, je na hranici jádra a pláště ve 2900 km. Původně se předpokládalo, že vlečky pláště vystupují z této vrstvy, protože se předpokládalo, že aktivní body, které jsou považovány za jejich povrchový výraz, jsou vůči sobě fixované. To vyžadovalo, aby vlečky pocházely zpod mělké astenosféry, o které se předpokládá, že rychle proudí v reakci na pohyb nadložních tektonických desek. V hluboké Zemi není žádná jiná známá hlavní tepelná hraniční vrstva, a tak byla hranice jádra a pláště jediným kandidátem.
Základna pláště je známá jako D″ vrstva , seismologické pododdělení Země. Zdá se, že se složením liší od překrývajícího pláště a může obsahovat částečnou taveninu.
Dvě velmi široké, velké provincie s nízkou smykovou rychlostí existují ve spodním plášti pod Afrikou a pod centrálním Pacifikem. Předpokládá se, že vlečky stoupají z jejich povrchu nebo jejich okrajů. Jejich nízké seismické rychlosti měly naznačovat, že jsou relativně horké, i když se nedávno ukázalo, že jejich nízké vlnové rychlosti jsou způsobeny vysokou hustotou způsobenou chemickou heterogenitou.
Důkazy pro teorii
Některé běžné a základní řady důkazů citované na podporu teorie jsou lineární vulkanické řetězce, vzácné plyny , geofyzikální anomálie a geochemie .
Lineární vulkanické řetězce
Věkem progresivní distribuce řetězce havajsko-císařských podmořských hor byla vysvětlena jako důsledek pevného, hlubokého pláště stoupajícího do horního pláště, částečně tání a způsobujícího vytvoření sopečného řetězce, když se deska pohybuje nad hlavou vzhledem k zemi. pevný zdroj vlečky. Mezi další hotspoty s progresivními vulkanickými řetězci za nimi patří Réunion , Chagos-Laccadive Ridge , Louisville Ridge , Ninety East Ridge a Kerguelen , Tristan a Yellowstone .
I když existují důkazy, že výše uvedené řetězce jsou časově progresivní, ukázalo se, že nejsou vůči sobě fixní. Nejpozoruhodnějším příkladem toho je císařský řetězec, starší část havajského systému, která vznikla kromě pohybu desek migrací aktivního bodu. Dalším příkladem jsou Kanárské ostrovy na severovýchodě Afriky v Atlantském oceánu.
Vzácný plyn a další izotopy
Helium-3 je prvotní izotop, který vznikl při velkém třesku . Vyrábí se velmi málo a od té doby se na Zemi jen málo přidalo jinými procesy. Helium-4 obsahuje primordiální složku, ale vzniká také přirozeným radioaktivním rozpadem prvků, jako je uran a thorium . Postupem času se helium v horních vrstvách atmosféry ztrácí ve vesmíru. Země se tak postupně ochuzuje o helium a 3 He není nahrazeno jako 4 He. V důsledku toho se poměr 3 He/ 4 He na Zemi v průběhu času zmenšoval.
Neobvykle vysoké 3 He/ 4 He byly pozorovány v některých, ale ne ve všech, hotspotech. To se vysvětluje tím, že vlečky narážejí na hlubokou, prvotní nádrž ve spodním plášti, kde se původní, vysoké poměry 3 He/ 4 He zachovaly po celou dobu geologické doby.
Jiné prvky, např. osmium , byly navrženy jako tracery materiálu vyvstávajícího z blízkosti zemského jádra, v čedicích na oceánských ostrovech. Zatím však pro to chybí jednoznačný důkaz.
Geofyzikální anomálie
-1.svg)
Hypotéza vlečky byla testována hledáním geofyzikálních anomálií, které s nimi podle předpovědi souvisí. Patří mezi ně tepelné, seismické a výškové anomálie. Tepelné anomálie jsou vlastní pojmu „hotspot“. Mohou být měřeny mnoha různými způsoby, včetně povrchového tepelného toku, petrologie a seismologie. Tepelné anomálie způsobují anomálie v rychlostech seismických vln, ale bohužel také složení a částečné tání. V důsledku toho nelze rychlosti vln použít k měření teploty jednoduše a přímo, ale je třeba zvolit sofistikovanější přístupy.
Seismické anomálie jsou identifikovány mapováním změn rychlosti vln, jak seismické vlny procházejí Zemí. Předpokládá se, že oblak horkého pláště bude mít nižší rychlosti seismických vln ve srovnání s podobným materiálem při nižší teplotě. Materiál pláště obsahující stopu částečné taveniny (např. v důsledku toho, že má nižší bod tání), nebo je bohatší na Fe, má také nižší rychlost seismických vln a tyto účinky jsou silnější než teplota. Ačkoli tedy byly použity neobvykle nízké rychlosti vln, aby naznačovaly anomálně horký plášť pod horkými body, tato interpretace je nejednoznačná. Nejčastěji citované snímky rychlosti seismických vln, které se používají k hledání variací v oblastech, kde byly navrženy vlečky, pocházejí ze seismické tomografie. Tato metoda zahrnuje použití sítě seismometrů ke konstrukci trojrozměrných obrazů změn rychlosti seismických vln v celém plášti.
Seismické vlny generované velkými zemětřeseními umožňují určit strukturu pod zemským povrchem podél dráhy paprsku. Seismické vlny, které urazily tisíc nebo více kilometrů (také nazývané teleseismické vlny ), lze použít k zobrazení velkých oblastí zemského pláště. Mají však také omezené rozlišení a lze detekovat pouze struktury o průměru nejméně několika set kilometrů.
Snímky seismické tomografie byly citovány jako důkaz pro řadu oblaků pláště v zemském plášti. Probíhá však energická diskuse o tom, zda jsou zobrazené struktury spolehlivě vyřešeny a zda odpovídají sloupům horké stoupající horniny.
Hypotéza oblaku pláště předpovídá, že se vyvinou domal topografické zdvihy, když hlavy vleček narazí na základnu litosféry. K vzestupu tohoto druhu došlo, když se před 54 miliony let otevřel severní Atlantský oceán. Někteří vědci to spojili s oblakem pláště, o kterém se předpokládá, že způsobil rozpad Eurasie a otevření severního Atlantiku, o kterém se nyní předpokládá, že je základem Islandu . Současný výzkum ukázal, že časová historie vzestupu je pravděpodobně mnohem kratší, než se předpovídalo. Není tedy jasné, jak silně toto pozorování podporuje hypotézu oblaku pláště.
Geochemie
Čediče nalezené na oceánských ostrovech jsou geochemicky odlišné od bazaltu středního oceánu (MORB). Oceánský ostrovní čedič (OIB) je složením rozmanitější než MORB a velká většina oceánských ostrovů se skládá z alkalického čediče obohaceného sodíkem a draslíkem ve srovnání s MORB. Větší ostrovy, jako je Havaj nebo Island, jsou většinou tholeitický čedič, s alkalickým čedičem omezeným na pozdní fáze jejich vývoje, ale tento tholeiitický čedič je chemicky odlišný od tholeitického čediče středooceánských hřbetů. OIB má tendenci být více obohacen hořčíkem a alkalický i tholeitický OIB je obohacen o stopové nekompatibilní prvky , přičemž lehké prvky vzácných zemin vykazují zvláštní obohacení ve srovnání s těžšími prvky vzácných zemin. Stabilní izotopové poměry prvků stroncium , neodym , hafnium , olovo a osmium vykazují velké rozdíly ve srovnání s MORB, což je připisováno smíchání alespoň tří složek pláště: HIMU s vysokým podílem radiogenního olova, vyrobeného rozpadem uranu a další těžké radioaktivní prvky; EM1 s menším obohacením radiogenního olova; a EM2 s vysokým poměrem 87 Sr/ 86 Sr. Helium v OIB vykazuje širší variaci v poměru 3 He/ 4 He než MORB, přičemž některé hodnoty se blíží prvotní hodnotě.
Složení oceánských ostrovních bazaltů je připisováno přítomnosti zřetelných chemických nádrží pláště vytvořených subdukcí oceánské kůry. Patří mezi ně nádrže odpovídající HUIMU, EM1 a EM2. Předpokládá se, že tyto rezervoáry mají různé složení hlavních prvků na základě korelace mezi složením hlavních prvků OIB a jejich stabilními poměry izotopů. Tholeiitický OIB je interpretován jako produkt vyššího stupně částečného tání u zvláště horkých vleček, zatímco alkalický OIB je interpretován jako produkt nižšího stupně částečného tání v menších, chladnějších vlečkách.
Seismologie
V roce 2015 výzkumníci na základě dat z 273 velkých zemětřesení sestavili model založený na tomografii s plným průběhem , který vyžadoval ekvivalent 3 milionů hodin superpočítačového času. Kvůli výpočetním omezením stále nebylo možné použít vysokofrekvenční data a seismická data z velké části mořského dna zůstala nedostupná. Nicméně vertikální vlečky, o 400 C teplejší než okolní skála, byly vizualizovány pod mnoha hotspoty, včetně hotspotů Pitcairn , Macdonald , Samoa , Tahiti , Marquesas , Galapágy , Kapverdy a Kanárské ostrovy . Rozprostíraly se téměř vertikálně od hranice jádra a pláště (hloubka 2900 km) k možné vrstvě střihu a ohybu v 1000 km. Byly zjistitelné, protože byly 600–800 km široké, více než trojnásobek šířky očekávané od současných modelů. Mnoho z těchto oblaků se nachází ve velkých provinciích s nízkou smykovou rychlostí pod Afrikou a Pacifikem, zatímco některá další aktivní místa, jako je Yellowstone, souvisela méně jasně s rysy pláště v modelu.
Neočekávaná velikost oblaků ponechává otevřenou možnost, že mohou vést většinu 44 terawattů vnitřního tepelného toku Země z jádra na povrch, a znamená, že spodní plášť konvekcí méně, než se očekávalo, pokud vůbec. Je možné, že mezi vlečky a okolním pláštěm existuje kompoziční rozdíl, který je zpomaluje a rozšiřuje.
Doporučená umístění vlečky pláště
Plášťové vlečky byly navrženy jako zdroj pro povodňové čediče . Tyto extrémně rychlé erupce čedičového magmatu pravidelně vytvořily kontinentální záplavové čedičové provincie na pevnině a oceánských plošinách v oceánských pánvích, jako jsou Deccan Traps , Sibiřské pasti , Karoo-Ferrarské záplavové čediče v Gondwaně a největší známá kontinentální záplavový čedič, středoatlantická magmatická provincie (CAMP).
Mnoho kontinentálních záplavových čedičových událostí se shoduje s kontinentálními trhlinami. To je v souladu se systémem, který směřuje k rovnováze: jak hmota stoupá v oblaku pláště, další materiál je vtahován dolů do pláště, což způsobuje trhliny.
Alternativní hypotézy
Paralelně s modelem vlečky pláště byla zvažována dvě alternativní vysvětlení pozorovaných jevů: desková hypotéza a hypotéza dopadu.
Deska hypotéza
Počínaje počátkem 21. století přiměla nespokojenost se stavem důkazů o pláštích a šíření hypotéz ad hoc řadu geologů v čele s Donem L. Andersonem , Gillian Foulgerovou a Warrenem B. Hamiltonem , aby navrhli širokou alternativu. založené na mělkých procesech ve svrchním plášti a výše, s důrazem na deskovou tektoniku jako hnací sílu magmatismu.
Hypotéza desek naznačuje, že „anomální“ vulkanismus je výsledkem litosférického rozšíření, které umožňuje, aby tavenina pasivně stoupala z astenosféry pod ní. Jde tedy o koncepční opak hypotézy vlečky, protože desková hypotéza přisuzuje vulkanismus spíše mělkým, blízkopovrchovým procesům spojeným s deskovou tektonikou, než aktivním procesům vznikajícím na hranici jádra a pláště.
Litosférické rozšíření je připisováno procesům souvisejícím s deskovou tektonikou. Tyto procesy jsou dobře známy ve středooceánských hřbetech, kde se vyskytuje většina zemského vulkanismu. Méně běžně se uznává, že samotné desky se vnitřně deformují a mohou dovolit vulkanismus v těch oblastech, kde je deformace extenzivní. Známými příklady jsou Basin and Range Province na západě USA, East African Rift Valley a Rhine Graben . Podle této hypotézy jsou proměnlivé objemy magmatu připisovány změnám v chemickém složení (velké objemy vulkanismu odpovídající snadněji roztavenému materiálu pláště) spíše než teplotním rozdílům.
I když obecně nepopíráme přítomnost hluboké konvekce a vzlínání pláště, hypotéza desek tvrdí, že tyto procesy nevedou ke vzniku plášťových vleček ve smyslu sloupcových vertikálních útvarů, které se klenou nad většinou zemského pláště, přenášejí velké množství tepla a přispívají k povrchovému vulkanismu.
Pod záštitou hypotézy o deskách jsou rozpoznány následující dílčí procesy, z nichž všechny mohou přispět k povolení povrchového vulkanismu:
- Kontinentální rozpad;
- Plodnost ve středooceánských hřbetech;
- Posílený vulkanismus na hranicích desek;
- Sublitosférická konvekce malého rozsahu;
- Oceanic intraplate extenzi;
- Trhání a odlamování desky;
- Mělká plášťová konvekce;
- Náhlé boční změny napětí u strukturálních diskontinuit;
- Kontinentální extenze intraplate;
- Katastrofické litosférické ztenčení;
- Sublitosférická tavenina ponoření a odvodnění.
Hypotéza dopadu
Kromě těchto procesů je známo, že tání a vulkanismus způsobily impaktní události , jako jsou ty, které vytvořily kráter Addams na Venuši a Sudbury Igneous Complex v Kanadě. V hypotéze dopadu se navrhuje, že některé oblasti vulkanismu hotspot mohou být spuštěny určitými oceánskými dopady velkých těles, které jsou schopny proniknout do tenčí oceánské litosféry , a záplavový čedičový vulkanismus může být spuštěn konvergující seismickou energií zaměřenou na protinožský bod. protilehlá místa hlavních dopadů. Vulkanismus vyvolaný nárazem nebyl dostatečně studován a zahrnuje samostatnou kauzální kategorii pozemského vulkanismu s důsledky pro studium horkých míst a deskové tektoniky.
Porovnání hypotéz
V roce 1997 bylo možné pomocí seismické tomografie zobrazit ponořené tektonické desky pronikající z povrchu až k hranici jádra a pláště.
Pro havajský hotspot poskytla dlouhodobá seismická tělesná vlnová difrakční tomografie důkaz, že za to může plášťový oblak, jak bylo navrženo již v roce 1971. U Yellowstonského hotspotu se seismologické důkazy začaly sbližovat od roku 2011 na podporu modelu vlečky, Jak uzavřeli James et al., "upřednostňujeme nižší oblak pláště jako zdroj pro hotspot Yellowstone." Data získaná prostřednictvím programu Earthscope , který shromažďuje seismická data s vysokým rozlišením v přilehlých Spojených státech , urychlila přijetí oblaku pod Yellowstonem.
Ačkoli existují pádné důkazy, že alespoň tyto dva hluboké oblaky pláště vystupují z hranice jádra a pláště, potvrzení, že lze vyvrátit jiné hypotézy, může vyžadovat podobný tomografický důkaz pro další horké body.
Viz také
- Delaminace (geologie) – Ztráta části nejspodnější litosféry z tektonické desky, ke které byla připojena
- Epeirogenní pohyb – převraty nebo deprese země vykazující dlouhé vlnové délky a malé skládání
- Orogeneze – Vznik horských pásem
- Verneshot – Hypotetická sopečná erupce způsobená nahromaděním plynu hluboko pod kratonem
