Подъем или нет? Как горячий материал останавливается в мантии Земли

Крупнейшие магматические события на Земле вызваны масштабным плавлением поднимающихся больших объемов горячего материала из недр планеты. Гигантские объемы горячего материала, поднимающиеся из глубинной мантии к основанию литосферы, формировали облик нашей планеты. При достаточном объеме они могут приводить к распаду континентов или вызывать массовые вымирания в определенные периоды истории Земли. До сих пор считалось, что из-за высоких температур эти тела — мантийные плюмы — поднимаются непосредственно со дна мантии к литосфере. В новом выпуске Nature Communications команда исследователей из секции геодинамического моделирования Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ объясняет возможные барьеры для подъема этих плюмов и условия, при которых горячий материал все же может достичь поверхности.

Согласно преобладающей концепции, из-за высокой температуры мантиные плюмы обладают сильной положительной плавучестью, что заставляет их подниматься и приподнимать поверхность Земли более чем на километр. Также предполагалась их грибообразная форма с большой головой и тонким каналом (радиусом ~100 км) для подъема нового материала. Однако во многих случаях эта модель не согласуется с геологическими и геофизическими наблюдениями, которые указывают на более широкие зоны подъема и гораздо меньшее поднятие поверхности.

Решение заключается в учете данных тектоники плит: в зонах субдукции океаническая кора погружается в мантию на большую глубину. Этот бывший океанический материал имеет иной химический состав и более высокую плотность, чем окружающая мантия. Если плюмы захватывают этот материал (что подтверждается геохимическим анализом пород крупных магматических провинций), их плавучесть снижается.

Исследователь GFZ Юлианна Даннберг: «Наши компьютерные модели показывают, что, с одной стороны, разница температур между плюмом и окружающей мантией должна быть достаточно высокой, чтобы инициировать подъем. С другой стороны, необходим минимальный объем, чтобы преодолеть область в верхней мантии, где преобладающие давления и температуры приводят к образованию минералов с гораздо более высокой плотностью». При таких условиях могут формироваться плюмы с очень низкой плавучестью, которые не вызывают масштабного вулканизма, а «застревают» в мантии. Однако плюмы, способные пройти через всю мантию, оказываются гораздо шире, остаются в ней сотни миллионов лет и поднимают поверхность лишь на несколько сотен метров, что согласуется с наблюдениями.