Подводные горы – это окна в глубину Земли, которые помогают объяснить различные глубинные процессы. Например, температурные и механические свойства океанической литосферы могут быть определены по изгибам океанической коры, которые обусловлены ростом подводных гор на ее поверхности. Цепочки подводных гор также великолепные регистраторы абсолютных движений тектонических плит и предоставляют ключевые сведения взаимодействия о перемещающихся плит, движущихся плюмов, Земли в целом и мантийной конвекции. А так как рост подводных гор обусловлен частичным плавлением глубинных мантийных источников, то они предлагают уникальную возможность взглянуть на химическое строение и неоднородность глубинных областей Земли. Цель данного исследования:
- поиск фундаментальных различий между магмами генерируемыми пассивным апвеллингом верхнемантийных областей и глубинными мантийными плюмами, восходящими от границы ядро – мантия (ГЯМ);
- картирование различных моделей плюмов и мантийной конвекции;
- согласование моделей подвижных и неподвижных мантийных плюмов;
- углубить понимание последующей вулканической эволюции подводных гор.
Роль внутриплитных подводных гор ключевая для этих исследований, и мы должны собрать обширное количество дополнительных геохимических и геофизических данных для того чтобы продвинуться в наших знаниях. Эти данные должны оставить океан широко открытым для будущих исследователей подводных гор.

Веками морское дно предполагалось не имеющим никакой топографии. В 40-х годах 20-го века были открыты подводные горы вулканического происхождения. Открытие подводных гор, срединно – океанических рифтовых зон, трансформных разломов, глубоководных впадин подтолкнули ученых к новым исследованиям и поиску ключевых свидетельств в пользу тектоники плит, гипотезы горячих точек и плюмов, питающих эти точки, а также к созданию новых геодинамических моделей. Сегодня насчитывается более 200 000 вулканических островов, атоллов, подводных гор, располагающихся на океаническом дне. Число это зависит от методов выделения подобных образований [Hillier and Watts, 2007, Wessel et al., 2010].
Подводные горы дают информацию о процессах, протекающих в литосфере и мантии Земли, а именно:
(1) геотермальные и механические свойства океанической литосферы;
(2) абсолютные движения тектонических плит и связь между движениями плит, плюмов, Земли в целом и мантийной конвекцией;
(3) частичное плавление мантии во внутриплитных условиях;
(4) химическое строение и неоднородность мантии.
В совокупности все это дает представление о внутреннем, комплексном и динамическом устройстве Земли. В этой работе, на основе исследаваний подводных гор, дается обзор следующему:
(1) как подводные горы зарождаются от мантийных плюмов, небольших плюмлетов или расширения плит (plate extension);
(2) как подводные горы размещаются внутри тектонических плит;
(3) как подводные горы свидетельствуют о физическом состоянии тектонической плиты;
(4) как геохимия подводных гор связана с глобальной динамикой мантии.
Ясно, что изучение подводных гор дает важную информацию для лучшего понимания геодинамических аспектов геологического устройства Земли.

Вулканические острова (Гаваи, Капе Верде, Реюнион) и подводные горы формируются вдали от границ плит (на границах плит наблюдается более 95% вулканической активности). Для объяснения внутриплитного вулканизма требуются механизмы, отличные от субдукции, спрединга, и трансформных разломов. Было высказано предположение о том, что подводные горя – это поверхностный след всплывающего "горячего" мантийного плюма (рис. 1) зарождающегося в глубинах мантии [Morgan, 1971]. В современной классической модели "горячих точек" грибоподобные головные части плюмов сталкиваются с подошвой литосферы и распространяются там, тем самым формируя объемные, крупные магматические провинции на поверхности находящейся сверху тектонической плиты [Griffiths and Campbell, 1991]. Это сталкновение также маркируется узкими (более или менее линейными) следами в виде подводных гор, которые формируются так как плиты постоянно двигаются над фиксированным местоположением стволов всплывающих плюмов [Richards et al., 1989].
Многие наблюдения не противоречат существованию мантийных плюмов. Крупные внутриплитные топографические поднятия (как правило размером 1500 – 3000 км и высотой до 1500 м, и хорошо коррелирующие с длинноволновыми гравитационными аномалиями (в свободном воздухе ? – ОЯ) и аномалиями геоида) обнаружены у передних краев многих активных цепей подводных гор. Подобная корреляция предполагает, что поднятия подстилаются субкристаллическим веществом мантии низкой плотности (то есть эти поднятия изостатически не уравновешены – ОЯ). Эти крупномасштабные деформации, как правило, жесткой литосферы наиболее заметны для Гавае-Императорской цепи подводных гор [Watts, 1976], и, как предполагается, прямо связаны с всплыванием плюма и его взаимодействием в перекрывающей Тихоокеанской плитой (Рис.1). Сопоставление этих поднятий по спутниковыми гравиметрическими данными и данными о геоиде позволило исследователям отождествить размеры этих поднятий с вертикальными потоками плюмов. Хотя объем активного внутриплитного вулканизма незначителен по сравнению с островодужным вулканизмом и формациями океанической коры у срединно океанических рифтов, потоки плюмов размером от 1.0 Mg s^-1 (Канары) до 8.7 Mg s^-1 (Гаваи) становятся заметными, когда суммируются за определенный геологический период, по всем известным горячим точкам [Davies, 1988; Sleep, 1990]. Дальнейшие исследования выявили следующие факты: поднятия литосферы уменьшаются с удалением от активных горячих точек; формирование возрастных прогрессий для цепочек подводных гор; затухание вулканизма подводных гор с удалением плиты от местоположения горячей точки.
Но поведение мантийного плюма достаточно сложно. Как показали позднейшие числовые модели, простые апвеллинги низкой плотности (рис.1) не типичны (хотя и возможны), сами плюмы, в основном, НЕ вертикально прямые, узкие и непрерывные, а часто наклонные, округлые и прерывистые вдоль своей длины [Steinberger and O’Connell, 1998; Steinberger, 2000; Farnetani and Samuel, 2003; Davaille and Vatteville, 2005; Lin and van Keken, 2006b; Davies and Davies, 2009]. Со временем эти моделируемые мантийные плюмы распухли, сузились, истончились, расщепились, стагнировали на различных глубинах, проявили пульсирующее поведение, или отстреливались как небольшие плюмлеты от гигантского суперплюма (Рис. 2).
To Top

Ничто из этих предсказанных особенностей плюмов не не нашло подтверждение в полевых исследованиях. Но более "динамическое" (даже хаотическое) поведение плюмов в конвектирующей в целом мантии не неожиданно, в частности, в областях с изменчивыми составом (перидотиты в эклогиты) и температурой (горячий в менее горячий). Однако индивидуальные 100-километровые мантийные плюмы трудно увидеть на сейсмотомографических изображениях мантии, потому что разрешающие возможности современной томографии не позволяют этого сделать [Nataf, 2000; Montelli et al., 2006]. Хотя сейсмологи и близки к достижению небходимого разрешения, результаты и интерпретация "томографии плюмов" остаются достаточно спорными. Крупномасштабный эксперимент, включающий сеть на морском дне и сейсмометры на суше, сегодня позволяет получить трехмерное изображение Гавйского плюма до глубины 1500 км в мантии Тихого океана.
Изображение базируется на аномалиях скоростей поперечных волн, имеющих размер в несколько сотен километров и интерпретиуется эта аномалия как апвеллинг высокотемпературного плюма [Wolfe et al., 2009]. Дальнейшее развитие этих методов имеет решающее значение для проверки численных моделей конвекции, а также для познания различных режимов и формы плюмов. А пока изучение подводных гор и ассоциируемых с ними топографических поднятий, которые являются единственными реально осязаемыми поверхностными продуктами мантийных плюмов, остаются решающими при подтверждении различных моделей мантийных плюмов.
На сегодня имеются свидетельства о существовании более чем одного типа горячих точек на Земле. Первичные горячие точки [Courtillot et al., 2003], (которых немного, и которые далеко отстоящие друг от друга) состоят из долго живущих, крупных цепочек подводных гор с наличием возрастных прогрессий. Это такие горячие точки, как Гавае-Императорская (Рис. 1) и Луисвильская горные цепи. Вторичные горячие точки, такие как Pitcairn, Самоа и Таити – это не долго живущие и значительно менее объемные. Но вторичные горячие точки составляют большинство цепей подводных гор в Тихом океане [Koppers et al., 2003]. Считается, что первичные горячие точки формируются над глубокими и мощными мантийными плюмами. Вторичные же горячие точки слабее, и могут рассматриваться как ответвления от так называемых суперплюмов, которые (суперплюмы – ОЯ) остановились у подошвы верхней мантии. Третичные горячие точки не связаны с глубинными мантийными плюмами и, как считается, являются вулканическими продуктами плитных процессов, связанных с (индуцированных субдукцией) экстенсивными разломами (extensional “cracks”).
Альтернативные геодинамические модели предложены для объяснения формирования горячих точек третьего типа [Foulger and Natland, 2003; Natland and Winterer, 2005], а так же для объяснения усложнений, наблюдаемых в данных о первичных и вторичных горячих точках [Koppers and Staudigel, 2005; Koppers et al., 2008].
Одна из первых цепочек подводных гор, для которых предложено альтернативное (не мантийный плюм) объяснение был хребет Пука Пука, расположенный в центральной части южного сегмента Тихого океана [Winterer and Sandwell, 1987; Sandwell et al., 1995]. Эта третичная горячая точка сформировала протяженный вулканический хребет, расположенный на тонкой эластичной океанической коре, и ориетированный по направлению абсолютного движения плиты [Goodwillie, 1995]. Следовательно, эту цепь подводных гор нельзя отнести к классическому вулканизму горячих точек, но скорее это небольшая мантийная конвекция происходящая непосредственно под литосферой, разламывающейся литосферой за счет термальной контракцией, происходящей ортогонально к направлению старения или охлаждения океанической плиты [Sandwell et al., 1995; Sandwell and Fialko, 2004]. В любом случае, в этих моделях предполагается, что источник вулканизма находится в верхней мантии, в сравнении с предполагемым нижнемантийным происхождением плюмов. Однако хребет Пука Пука не уникальный объект, а часть большой области в центральной части Тихого океана, характеризующейся аномально высоким внутриплитным вулканизмом, аномально тонкой и упругой плитой, томографическими свидетельствами диффузионного апвеллинга, а также наличием большого количества эктенсиональных особеностей [McNutt, 1998; Forsyth et al., 2006; Clouard and Gerbault, 2008]. Остается открытым вопрос о том, сформировался ли хребет Пука Пука, а также все горячие точки третьего типа, за счет вулканизма горячих точек и расширения плиты, или некоторая комбинация этих механических действий (т. е. подъем плюма и растяжение плиты с ее разломом – ОЯ) осуществлялась в различное время в геологическом прошлом. За последнее десятилетие этим, в целом небольшим третичным следам горячих точек не уделялось достаточного внимания, и они остаются слабо изученными.

Цепи подводных гор, ассоциируемые с активными и историческими вулканами, интерпретируются как следы движения плит с увеличивающимся возрастом по отношению к стационарным, долго живущим горячим точкам [Morgan, 1971, 1972; Muller et al., 1993; Wessel and Kroenke, 2008]. Ридиометрическое измерение возраста показывает систематическую прогрессию в сторону увеличения возраста при удалении от активных вулканов (Рис. 3). Следы подводных гор (в основном линейные в пространстве и во времени) имеют совпадающую ориентацию с плитой, и это может быть использовано для восстановления древнего "абсолютного" движения тектонических плит[Morgan, 1972; McDougall and Duncan, 1980]. Абсолютные перемещения, в принципе, не зависят от "относительных" движений между плитами, и может превышать 10 см г-1, как установлено сегодняшними GPS измерениями. Ориентация некоторых следов изменяется со временем. Очевидно, что записываются изменения в направлении движения плит по отношению к стационарным горячим точкам. В этих случаях модели абсолютных движений для конкретной плиты требует учета многих параметров вращения (поля вращения плит и угловые скорости) для того, чтобы определить направления движения плит в течение различных временных интервалов. 120-градусный излом в ориентации Гавае-Императорской цепочке подводных гор, который сформировался между 50 и 44 млн лет назад – это классический пример подобных изменений в движении (Рис. 3).
To Top

Новые данные показывают, что предположение о стационарном положении мантийного плюма не справедливо для большинства цепей подводных гор [Cande et al.,1995; Koppers et al., 2001; Koppers аnd Staudigel, 2005]. Согласно палеомагнитных дананных наиболее древняя часть Гавае-Императорской цепи сформировалась на палеошироте примерно на 150 севернее текущего положения Гавайской горячей точки [Tarduno et al., 2003, 2009]. Что свидетельствует о том, мантийный плюм, может перемещаться на сантиметр в год, что имеет тот же порядок значений, что и движение пльты (Рис 4).
To Top

Такие процессы, как наращивание плит (plate extension), раскол литосферы и небольшая конвекция в приповерхностных частях мантии могут играть важную роль в формировании некоторых первичных и вторичных следов горячих точек и искажать их хаотично и нелинейно [Foulger and Natland, 2003; Koppers et al., 2003, 2007, 2008; Koppers and Staudigel, 2005; O’Connor et al., 2007]. Поэтому, для того, чтобы использовать систему фиксированных мантийных плюмов для восстановления движения плит в прошлом, требуются сведения о движении самих мантийных плюмов, а также сведения о геохронологии подводных гор.
Усовершенствование ⁴⁰Ar/³⁹Ar геохронологии позволило более адресно подойти ко многом вопросам, связанным с горячими точками и внутриплитным вулканизмом. Улучшение методов спектроскопии в комбинации с применением геотермических данных привели к уточнению датировок подводных гор [Koppers et al., 2003, 2007, 2008; Sharp and Clague, 2006; O’Connor et al., 2007]. Более точные датировки внутриплитного вулканизма позволили уточнить возраст формирования (с точностью до 10 млн лет) подводных гор и задать возрастную прогрессию вдоль цепочек подводных гор. Была получена более полная модель горячих точек.
Например, определение возраста и палеомагнитные исследования "Программы бурения океанов (Ocean Drilling Program -ODP Leg 197)" продемонстрировали, что Гавайская горячая точка сместилась на юг с ~35⁰N до 20⁰N в период между 80 и 49 млн лет назад (Рис.3 и 4) [Tarduno et al., 2003; Duncan and Keller, 2004; Duncan et al., 2006]. Эти данные неплохо согласуются с данными моделирования плюма для Гавае-Императорского излома.
Пересмотр данных для Луисвилльской цепочки подводных гор [(Koppers et al., 2004)] показал, ранее предполагавшаяся линейной возрастная прогрессия [Watts et al.,1988], фактически нелинейна, с вариациями, учитывающими и перемещение горячей точки, и движение плиты. Что поставило вопрос о схожести движения Луисвилльской горячей точки с движением Гавайской горячей точки. Результаты последних моделирований мантийной конвекции кажется дают основание предположить, что Луисвилль не движется на юг почти на столько же, как и Гаваи, так как "мантийный ветер" видимо "дует" преимущественно с запада на восток в юго – западном квадранте Тихого океана [Steinberger and Antretter, 2006].
Другие следы горячих точек либо не имеют возрастных прогрессий, либо они сложные, имеют изломы типа Гавайского, возраст которых старше Гавайского излома на 10 – 20 млн лет, или имеют возрастные прогрессии, не совместимые с существующими моделями вращения плит. С другой стороны, новые исследования на Самоа, острове Пасхи и хребта Sala Y Gomez, подводных гор Emperor [Duncan and Keller, 2004; Sharp and Clague, 2006] и Луисвилльского хребта [Lindle et al., 2008] показали, что у этих цепочек подводных гор имеются линейные возрастные прогрессии. Это представляет подтверждающие доказательства для системы типичных первичных горячих точек Тихого океана.

За последние десятилетия мы больше узнали о глубинной струкутуре подводных гор и океанических островов, а так же о подстилающей их литосфере. Сейсмические данные о преломленых волнах, полученные вдоль секущих Гавайских хребет [Watts and ten Brink, 5et al., 1995], Реюнион [Charvis et al.1999], подводную гору Great Meteor [Weigel and Grevemeyer 1999] разрезов и, наиболее свежие данные по островам Капе Верде [Pim et al.,2008] и Луисвилльскому хребту [Contreras-Reyes et al., 2010] показали, что подводные горы и океанические острова представляют из себя построки на океанической коре высотой порядка 8 км и шириной порядка 100 км. Фланги (а иногда и верхняя часть) подводных гор, обычно, включают в себя вулканические породы, которые препятствуют распространению упругих Р-волн, быстрее через ядра же этих структур некоторые типы сейсмических волн проходят значительно быстрее. Например веерные сейсмические наблюдения вокруг Тенерифа (Tenerife) – Канарские острова – показали значительно более высокие скорости (7.3 км/сек) чем предполагалось у молодых базальтовых лав (Рис. 5), что предполагает наличие древних интрузивных и плутонических комплексов в ядрах этих вулканов [Canales et al., 2000]. Данные сейсмических преломленных волн показывают, что кора, подстилающая такие вулканические сооружения, как Oahu (Hawaiian Ridge), Marquesas Islands, Rйunion, и Great Meteor Seamount имеет скоростную структуру и мощность типичную для нормальной океанической коры. Примечательно, что имеются маленькие латеральные вариации скорости, что свидетельствует о том, что магматический материал, зародившийся глубоко под литосферой, должен мигрировать вертикально сквозь океаническую кору с незначительными или даже без силлоподобных интрузий. Океаническая кора, сама по себе, часто подстилается высокоскоростным глубинным телом (> 7.2 км/сек). Эти глубинные кристаллические тела интерпретируются как материал, который распространяется латерально и подстилает кору. К сожалению, мы мало что знаем о вещественном составе этих образований (он нигде не опробованы), их роли в динамике подводных гор, в образовании следов из подводных гор и их связи с крупными внутриплитными поднятиями.
To Top

Изверженные базальты и интрузивные плутонические породы, слагающие подводные горы, представляют из себя значительные гравитационные нагрузки на поверхность океанической коры. При нагрузке, кора может изогнуться (флексура) и сформировать глубокие клиноформные рвы, заполенные вулканокластовыми породами (Рис. 1 и 5). Сравнение глубинной сейсмической структуры подводных гор с расчетами, основанными на упругой модели плит, например Гаваев, показало, что под давлением вулкана океаническая кора прогибается вниз до 4-х км, а размер прогиба по латерали достигает нескольких сотен километров [Watts et al., 1985]. Общая точка зрения – упругая толщина (the elastic thickness) Тe (Рис. 5) зависит и от возраста нагрузки, и от возраста плиты на момент образования горы на ней. Мощность литосферы увеличивается с возрастом, по мере ее удаления от срединно – океанического хребта таким образом, что подводные горы рядом с рифтом изгибают молодую, более тонкую упругую литосферу. Того же самого размера вулканы, но расположенные в удалении от рифта, распологаются на более древней литосфере, имеющей большую упругую мощность. В дополнение, изучение океанических флексур показало, что литосфера относительно жестче в начале вулканической деятельности и становится слабее со старением подводных гор. Имеются два процесса, действующие один против другого, это температурная контракция (сжатие), которое усиливает литосферу в процессе остывания, и ослабление литосферы за счет релаксации стрессов при извержении вулкана. Общий эффект – океаническая литосфера усиливается (становится жестче) с возрастом. Эти пространственные и временные изменения в жескости имеют важное приложение для реологии океанической литосферы, и для того, как литосфера откликается на другие воздействия, такие, как вертикальные сжатия, связанные с вертикальным мантийным потоком (например у горячих точек).
Подводные горы и океанические острова, особенно стратификация их фланговых рвов, предоставляют уникальную возможность изучить процессы, в которые вовлечены цепочки подводных гор. Фактически, базируясь на данных о гравитационных аномалиях, полученных по спутниковой альтиметрии, можно построить карту, показывающую распределение типичных подводных гор, расположенных в пределах рифта и за пределами рифта (Рис 6). Многие подводные горы наложены на обширные топографические поднятия, поэтому эластичная мощность (которая является проводником для температуры) согласуется с пониманием происхождения этих образований. (Рис 1). Аномально низкие эластические мощности в этих топографических поднятиях свидетелтствуют об утончении литосферы и разогреве, обусловленных мантийным плюмом, тогда, как нормальная эластическая мощность предпочтительнее для моделей, в которых поднятия – это динамические особенности, обязанные своим происхождением вертикальным мантийным потокам [McNutt, 1984]. Интересно, что Бермуды и Капа Верде демонстрируют нормальные Те для их возраста [Sheehan and McNutt, 1989; Ali et al.,2003]. Это наблюдение может означать увеличение динамической сосставляющей (т. е. вертикального движения плюма) в формировании этих внутриплитных топографических поднятий.

Другое явление, которое может помочь объяснить термальную структуру поднятий – это поверхностный тепловой поток, измеряемый вокруг подводных гор. Высокий тепловой поток может служить индикатором утонения литосферы и разогрева, связанных с сублитосферными температурными аномалиями мантийных плюмрв. Например, поднятия Бермуд, Капе Верде и Гаваев связаны с малоамплитудным пиком теплового потока, еще большие локальные вариации наблюдаются при проведении более детальных исследований, что, возможно означает, что тепловой поток контролируется потоками флюидов. В последнем случае, флюиды (если они существуют), ассоциируемые с крупным рельефом подводных вулканических построек и их фланговых рвов, могут помешать измерению базального (т. е. изначального – ОЯ) теплового потока, генерируемого плюмом.

Внутриплитные подводные горы и океанические острова, формирующиеся за счет мантийных плюмов, являются уникальными геохимическими окнами в глубины мантии и позволяют выделять домены в мантии и ограничивать различные режимы мантийной конвекции. Радигенные изотопы и очень несовместимые следы отношений элементов могут использоваться для прослеживание и обозначения различных мантийных компонентов, переработанных в зонах субдукции. Эти данные свидетельствуют о значительной неоднородности мантии по этим характеристикам. В результате были предложены различные многослойные модели и модели типа "мраморный пирог" (Рис 8.). Эти знания послужили основанием для зарождения новой области геохимии – химической геодинамики, основная цель которой – изучение эволюции мантийных резервуаров в течение геологического времени; масштабов мантийных неоднородностей; дифференциация Земли в целом [Keller et al., 2004; Boyet and Carlson, 2006; Konter et al., 2008].
Внутриплитные подводные горы и субаэральные части вулканических островов предоставляют ключевые данные для изучения этих геодинамических вопросов. Геохимические свойства базальтов срединно-океанических хребтов и островных дуг различаются. Например, базальты подводных гор и океанических островов (OIB) отличаются от базальтов океанических рифтов (MORB) большей обогащенностью (или меньшей обедненностью) редкоземельными элементами и микроэлементами, а также значительно большей изменчивостью изотопного и микроэлементного составов. Если рифтовые базальты считаются образцами обедненной и однородной верхней мантии, оставшейся после длительной экстракции континентального материала ранней Земли, то базальты океанических островов требуют меньшего уровня частичного плавления в глубинных астеносферных зонах выплавления с менее обедненным (но неоднородным) мантийным источником. Считается, что мантийные плюмы являются позднейшими источниками базальтов океанических островов (OIB), и зародились плюмы либо на 660-километровой границе, либо на границе ядро – мантия. Однако большие вариации геохимических параметров базальтов океанических островов невозможно объяснить единообразным мантийным плюмом (то есть плюмом, сформированном в единообразной по составу мантийной области). Геохимические особенности островных базальтов требуют для своего объяснения двух или более разной степени обогащенности мантийных компонентов в качестве истосточников, для каждой цепи подводных гор.
Считается, что эти мантийные компоненты образуются в результате: субдукции океанической коры; различных типов субдуцированных осадков; субконтинентальной литосферы; переработанной континентальной коры; метасоматированной мантии; океанической литосферы; первичной мантии или верхнемантийных перидотитов, пироксенитов или эклогитов.
Геохимическая сложность базальтов океанических островов увеличивается, когда рассматривается вулканическая эволюция отдельных подводных гор, океанических островов или целых цепочек подводных гор. Каждая подводная гора и цепочка океанических остров проходят серию эволюционных вулканических фаз. В большинстве случаев построение завершается за менее, чем 1-2 млн лет, но имеются более длительные случаи построения - до 12 млн лет (Тенериф). На Гаваях до 98% вулканических образований, представленных первичными толеитовыми базальтами, продуцировано в так называемую "щитовую стадию" всего за пару сотен тысяч лет. Если эта фаза достаточно объемная, и уровень извержения достаточно высок, то подводные горы могут превратиться в острова до того, как вулканизм затихнет и перейдет в короткую постщитовую фазу покровного щелочно – базальтового вулканизма. Эрозия начинает преобладать, и после длительного периода затишья, небольшие объемы сильно дифференцированных базальтов могут эруптировать в так называемую постэрозионную стадию (например вулканические серии Гонолулу). В некоторых случаях, после длительного периода вулканического затишья, вулканизм может возобновиться, когда движущаяся плита перенесет подводную гору к месту расположения другого независимого источника внутриплитного вулканизма, приводящего к "обновленной" вулканической фазе. Каждая из вышеназванных стадий характеризуется различным набором типов пород и вариациями в геохимии их мантийных источников, которая (геохимия – ОЯ) вероятнее всего обусловлена тем, как мантийные плюмы взаимодействуют с океанической литосферой; как термохимические характеристики и глубина зон плавления изменяется со временем; и как современные мантийные источники представлены в различных магматических процессах. Как результат, некоторые следы горячих точек продуцируют щелочные щитовые лавы и не предоставляют свидетельств широкого постэрозионного вулканизма и имеют позднюю стадию вулканизма лишь слегка отличную от базальтов, сформированных на ранней щитовой стадии. Остается дискуссионным вопрос сохранения или долговечности мантийных компонентов, который напрямую связан с зарождением, рассеиванием и разрушением термохимических мантийных апвеллингов. Поскольку базальты отдельных подводных гор или океанических островов сильно изменчивы, и изменяются при переходе от одного вулканического образования к другому в пределах цепи подводных гор, трудно представить надежные данные о продолжительности жизни мантийных доменов, которые бы содержали единственный мантийный компонент (например, DMM (depleted MORB mantle) – истощенные базальты срединно – океанических рифтовых зон; HIMU (high U/Pb mantle) – мантия с высоким значением отношения U/Pb, Рис. 7).
To Top

В настоящее время становится понятным, что если рассматривать большие масштабы расстояний (до нескольких сотен километров), то видно, что мантийные источники последовательно представлены по крайней мере последние десятки, или даже сотни миллионов лет [Konter et al., 2008]. Несмотря на то, что Гавайская горячая точка представляет лишь маленький мантийный регион (несколько сотен километров в диаметре) [Wolfe et al., 2009], она продуцирует щитовые лавы с более или менее одинаковым изотопной геохимией более, чем 80 млн. лет. Еще один хороший пример – мантийная аномалия Дюпал, охватывающая глобальную территорию в южной экваториальной части Земли [Hart, 1984], которая значительно отличается изотопным составом (²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb, ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb) от океанических островов Северного полушария Земли. Происхождение этой аномалии остается загадкой, но предполагают, что на ранней стадии истории Земли часть континентальной коры "осела" в нижней мантии, где и осталась с тех пор в форме огромной изотопной мантийной аномалии, наблюдаемой до настоящего времени. Однако не все подводные горы имеют характерные базальты океанических островов (OIB) и связаны с плюмами.
Большее количество подводных гор были сформированы около срединно-океанических спрединговых центров и несут в себе слегка обогащенные признаки базальтов срединно-океанических рифтов (MORB). Эти "возлерифтовые" подводные горы обогащены и небольшие по объему и размерам, но они отличаютмся геохимически от нормальных бозальтов срединно-океанических хребтов (MORB) и, поэтому, являются индикаторами неоднородных характеристик верхней мантии. Около 200 тыс подводных гор попадают в эту категорию, но на сновании данных флексурного моделирования, как минимум 60% изученных подводных гор относятся к сформировавшимся в рифтовых условиях. Другая группа океанических островов сформирована как часть островных дуг на надвинутых плитах "океан – океан" зон субдукции. Число подводных гор этого типа ограничено, но геохимические исследования этих островов очень важны для определения элементов, которые могут являться индикаторами удаленности от субдуцированной плиты (и того, что находится сверу – осадки или подводная гора), от того, что называют, "фабрикой зоны субдукции". Эта "фабрика" эффективно действует как геохимический фильтр и определяет какой материал и в каком количестве перерабатывается в мантии Земли, где он вновь становится доступен, как обогащенный мантийный источник (т. е. HIMU, обогащенный мантийный типов 1 и 2 [EMI и EMII] на Рис. 7) для внутриплитных базальтов (OIB) подводных гор [Staudigel et al., 2010].
Петрология и геохимия подводных гор может быть использована для оценки потенциальной температуры мантийных источников. В случае внутриплитных подводных гор и океанических островов, петрология и геохимия дают оценки температурных аномалий, связанных с горячими точками и мантийными плюмами [Herzberg et al., 2007; Putirka, 2008]. По сравнению со средней температурой 1350±50^оС [Courtier et al., 2007] верхнемантийных источников рифтовых базальтов (MORB), моделируемая температура многих горячих точек увеличена на 100 – 300^оС [Putirka, 2008] или на 150±100^оС [Courtier et al., 2007]. Однако другие исследователи утверждают, что эти избыточные температуры не являются обязательными, и что некоторые цепочки подводных гор сами по себе являются свидетельствами существования "влажных", "мокрых" и "холодных" точек, тем самым увеличивая содержание летучих (H₂O, CO₂) в мантийных источниках, которые также продуцируют обогащенные базальты океанических островов (OIB) в форме вулканов, но только малой степени частичного плавления и из неглубоких мантийных источников [Anderson, 2000; …].

В области приложения физики и химиии к гединамике остается много вопросов, на которые еще прндстоит ответить. Центральный вопрос – роль внутриплитных подводных гор в понимании глубинной геодинамики Земли. Например:
- возможно ли объяснить внутриплитный вулканизм, используя лишь простую модель горячей точки, которая подпитывается долго живущим, стационарным мантийным плюмом?
- Так двигаются ли горячие точки, и в каком месте мантии зарождаются плюмы?
- Что представляет из себя мантийная конвекция?
- Что трассирует цепочка подводных гор – хвост или ствол плюма, после того, как головная часть плюма достигла поверхности Земли и продуцировала большую магматическую провинцию?
- Можно ли использовать геохимическую историю цепочек подводных гор для лучшего понимания плавления мантии и причин геохимической неоднородности мантии?
- Каков вклад субдуцированных подводных гор в геохимию "фабрики зоны субдукции"?
Менее 1% процента из 47 тыс подводных гор высотой превышающей 500 м углубленно и закартированы, опробованы и проанализированы. Перед тем как начать отвечать на поставленные вопросы, необходимо набрать достаточное количество исходных геохимических и геофизических данных. Еще предстоит разносторонне изучить подводные горы мирового океана.

Гавае – Императорский след горячей точки – пример классической модели мантийного плюма, объясняющей формирование внутриплитной подводной горы. На карте северо – западной части Тихого океана (D. Sandwell and W.M. Smith: Gravity Anomaly Map based on SatelliteAltimetry, Version 15.2) это типичный след в виде подводных гор подчеркивается глубоким, изогнутым рвом вдоль всей его длины и значительным срединно плитным поднятием, протягивающимся в сторону молодого юго – восточного окончания. Линейность этого следа в комбинации с крупным внутриплитным поднятием и с закономерным изменением возраста (по радиометрическим данным возраст увеличивается по направлению более старого северо-западного окончания, см. Рис 3.), представляют убедительные доазательства существования в мантии плюма, возможно зародившегося глубоко в мантии из термальной аномалии. В этой модели след из подводных гор формируется только после того, как головная часть плюма рассеится и узкий ствол плюма начнет взаимодействовать с литосферой. Так как наиболее древние Императорские подводные горы были субдуцированы в Алеутском желобе на севере, судьба головной части плюма и любые связи с вулканизмом большой магматических провинцией неопределенные.

Начиная с 1970-х годов предложены различные модели Земли и мантийной конвекции, основанные на данных геохимических и геофизических наблюдений. Было показано, на основании ранних ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr изотопных измерений, что базальты соединно – океанических рифтов (MORB) и базальты океанических островов (OIB) различаются [Hart, 1971; Hart et al., 1973]. Для объяснения этих различий Шиллинг [1973a, 1973b] предложил концепцию мантийных плюмов, зарождающихся в нижней мантии. На основании последующих данных об изотопных отношениях ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd было высказано предположение о том, что часть мантии может быть более "примитивной", и на основании этого в 1979 году [Jacobsen and Wasserburg, 1979; Wasserburg and Depaolo, 1979] была предложена двухслойная модель мантии. В 1982 году было продемонстрировано [Zindler et al., 1982], что мантия может включать в себя, как минимум, три компоненты, что послужило основой для последующих более комплексных моделей мантии. На основании данных геохимии и геофизики предложены различные версии таких моделей, как "мраморный пирог", "двухфазные", "глубиннослойные". Такие геофизические данные, как сейсмическая томография, предоставляют свидетельства проникновения субдуцированных плит в нижнюю мантию [Van der Hilst et al., 1997].