Три различных типа горячих точек в мантии Земли

В жидкости, вязкость которой зависит от температуры, каковой является мантия, плюм характеризуется грибоподобной формой своей головной части и тонкой, длинной ножкой. При подходе и столкновении снизу с движущейся литосферой эти всплывающие массы должны продуцировать массивные "головные" события, за кторыми последует меньшие по масштабу, но более долгоживущие "хвостовые" события. В этом контексте следы горячих точек продуцируются столкновением со стволом плюма, в то время как траппы соответствуют головной части плюма [2, 13]. Поэтому, основываясь на предшествующих исследованиях, наши первые два критерия следующие:
1. Долгоживущие следы.
2. Траппы на начальном этапе жизни горячей точки.
Следы горячих точек и трапповый магматизм нами взят из большого числа статей.
Всплывающий поток определяющий движение вещества из мантии является причиной топографического поднятия, ассоциируемого с горячей точкой [6]. Детальные численные расчеты [18] показали, что плюмы поднимающиеся от подошвы мантии и имеющие плавучесть менее, чем 103 kg s^-1 могут быть охлаждены настолько, чтобы они не расплавлялись под старой литосферы. Более того, такие слабые плюмы могут, возможно, быть захвачены мантийным потоком до того, как они достигнут литосферы [19]. Наш третий критерий – значение плавучести, превышающее 103 kg s^-1 для проявленных на поверхности горячих точек. Отметим, что расчет всплывающего потока/плавучести требует существования топографической аномалии [6], которая является одним из исходных критериев Вилсона [1].
Было показано, что распределение соотношений изотопов редких газов в вулканических породах, можно использовать для разделения источников для базальтов срединно – океанических рифтов и базальтов океанических островов [20]. В работе [21] показано, что большинство базальтов океанических островов имеют значение соотношения ³He/⁴He либо выше, либо ниже зачения того же параметра для базальтов рифтовых зон (в 7 – 10 раз выше соотнонения ³He/⁴He для атмосфервы RA ). Распределение ²¹Ne/²²Ne также основательно поддерживает существование двух резервуаров[22]. Высокие значения соотношения ³He/⁴He или ²¹Ne/²²Ne в лаве горячей точки часто приписывается подъему вещества из длительное время изолированного и наиболее примитивного резервуара [21]. Геометрия, объем и местоположение этого резервуара остается остро дискуссионными. Если неглубокие резервуары, как правило, связываются со срединно – океаническими рифтами, то примитивные резервуары, часто считается, расположены глубоко в мантии в пределах транзитной зоны верхней мантии или даже глубже, в нижней мантии (но см. [23]. Например, Allegre [24] недавно оценил, что обедненный мантийный резервуар составляет 40% общего объема мантии. При этом он предполагал, что существует обмен между верхней и нижней мантией, через границу на глубине 670 км и, возможного, через границу на глубине 820 км. Поэтому мы используем высокие значения соотношений ³He/⁴He или ²¹Ne/²²Ne в качестве четвертого индикатора глубинности происхождения горячей точки.
Горячая точка по определения горячая. Поэтому мы изучили вопрос о том, действительно ли представлена мантия под горячими точками аномально низкими скоростями поперечных волн (VS). Такие низкие скорости на глубине будут указывать на существование пониженной плотности, возможно, более горячего вещества из плюма. Мы сопоставили томографические модели S20RTS [25] и S39 [26] на глубинах 200, 500 и 2850 км. На рисунке 1 показано совмещение 49 горячих точек из нашего каталога с томографической моделью на поперечных волнах (VS) S20RTS на глубинах 500 и 2850 километров.
Подводящие каналы (или стволы) плюма пока не могут быть определены в нижней мантии, поэтому мы ограничили наш критерий существенными понижениями скорости (нижняя четверть в распределении отклонений скорости) на уровне транзитной зоны под поверхностным следом горячей точки. Стейнберг и О'Коннелл [12,19,27] показали, что мантийные потоки могут отклонить исходный вертикальный канал плюма на сотни километров; мы, следовательно, можем получить целый ряд негативных ответов по нашим томографическим критериям в тех случаях, когда поверхностные следы горячих точек значительно смещены по отношению к их глубоким источникам в переходной зоне или в зоне D". Однако мы считаем, что, принимаемые во внимание возможные деформации подводящих каналов плюмов не изменят существенно результаты применения этого пятого критерия (понижения VS на глубине 500 км).

Мы применили пять критериев к списку современных горячих точек. Таблица 1 представляет имена (и некоторые псевдонимы) 49 горячих точек [6, 11, 12]; координаты горячих точек (которые могут варировать более, чем на 500 км в различных публикациях); следы горячих точек и трапповые/покровные базальты или океанические плато (если они существуют) [8,14,15,16,17]; оценки Слипа [6] плавучести и их надежности определения; и аномалии скорости поперечных волн на глубине 500 км, согласно томографической модели Ритсемы и др. [25] ( см также [26]). Мы утверждаем, что только девять горячих точек удовлетворяют как минимум трем критериям из пяти возможных критериев и потенциально обязаны своим происхождением глубинным или "первичным" плюмам. Отметим, что для некоторых горячих точек суммарные значения критериев могут повыситься, когда появятся дополнительные данные, то есть положительные ответы могут быть получены для тех критериев, для которых в настоящее время еще не получен ответ. Например Marquesas, Galapagos и Kerguelen могут присоединиться к списку первичных плюмов в будущем. Но несмотря на высокую плавучесть, горячая точка Marquesas имеет низкое соотношение ³He/⁴He и не выражена в томографии и возвышенность Шатского может быть не квалифицирована как океаническое плато, которое бы обозначало место зарождения горячей точки Marquesas. Ради точности и однородности, мы временно исключили горячую точку Маркизские острова, которая сохраняется в других анализах (см. ниже и [8]). Горячая точка Макдональд не включена в список первичных точек, так как суммарное значение критериев у этой горячей точки равно двум. Если связь горячей точки Макдоналд со следом и океаническим плато, как предлагают некоторые авторы, будет подтверждена, эта горячая точка будет включена в группу потенциально "первичных" горячих точек.
Одна из девяти горячих точек со значением суммарного критерия не менее трех, Самоа, показывает ясный, короткий след без покровных базальтов или океанического плато в своем начале. Отсутствие доказательств наличия или отсутствия покровных базальтов (например для Гаваев начальные покровные базальты погут быть субдуцированы) не позволяет нам исключить потенциальных кандидатов в "первичные" горячие точки из списка, наличие же свидетельства отсутствия начальных плюмов [13, 28] дает нам основание считать, что это горячие точки другого типа. Горячая точка Caroline, похоже, не имеет ни томографических аномалий, ни покровных базальтов. Поэтому мы оставили только семь горячих точек, как надежных кандидатов на глубокие "первичные" плюмы. Перечислим их:
- Hawaii, Easter и Louisville в Тихоокеанском полушарии;
- Iceland, Afar, Reunion и Tristan в Индо – Атлантическом полушарии.
Оставшиеся около 40 горячих точек не являются первичными горячими точками. С нашей точки зрения, у этих горячих точек нет достаточного количества индикаторов глубинного, нижнемантийного происхождения. Ниже мы увидим, что эти оставшиеся горячие точки могут быть подразделены на две группы, одна из которых может иметь происхождение, связанное с транзитной зоной, другая группа объединяет горячие точки с более поверхностным происхождением.

Мы далее протестируем, обладает ли уменьшенное множество, состоящее из семи горячих точек ключевыми свойствами, изначально предложенными Морганом [2], то есть представляют ли они фиксированную систему отсчета. Имеются многочисленные публикации об относительных движениях горячих точек. Молнар и Сток [14,29] показали, что средняя скорость за последние 65 млн лет между Гавайской горячей точкой и точками, располагающимися в Индо – Атлантическом полушарии составила 10 – 20 мм в год. В последних работах [30] приводятся аргументы в пользу того, что скорость между надежно определенными горячими точками Тихого океана достигают как минимум 60 мм в год. Это легко понять, если горячие точки с различным происхождением (ошибочно) были совместно обработаны. Но когда анализ проводится по трем кандидатам в первичные горячие точки (т. е горячие точки с единым происхождением), то нет никаких доказательств того, что относительное движение горячих точек значительно больше, чем 5 мм в год [31]. Мы полагаем, такое среднеквадратическое значение скорости (5 мм в год или менее), то есть порядок магнитуды менее, чем среднеквадратическая скорость плиты, является первым порядком "малости". Наши выводы останутся неизменными, если если Маркизы оставить в анализе, как сделано в работе [8]. Очевидно, что анализ большихломанных следов в виде подводных гор, оставленных Гавайями, Пасхой и Луисвиллем, первоначально сделанный Морганом, остается в силе как первое приближение. Кинематический анализ [15] показал, что относительные движения между четырьмя Индо – Атлантическими горячими точками также менее 5 мм в год. Итак, действительно, горячие точки обеспечивают квази-фиксированную раму в каждом полушарии за последние 80-100 млн лет (возраст начала любой горячей точки, конечно, задает максимальный период времени, за который данные горячей точки могут быть протестированы, а именно: 30 млн - Афар , 60 млн - Исландия, 65 млн - Реюньон, 80 млн - Гавайские острова (субдукции), 100 млн - Пасха, 115 млн - Луисвилл, и 130 млн – Тристан (см. Таблицу 1). Далее мы хотим определить, имеются ли какие-нибудь движения между двумя ансамблями горячих точек. Это порождает хорошо известные трудности установления надежного кинематического соединения между двумя полушариями через Антарктиду. Эти вопросы совсем недавно рассматривались Раймотдом и др. [17], в этой работе обсуждалась важность отжившей границы плит внутри желоба Адар в Антарктиде. На основе обновленной кинематики, эти авторы предсказали местоположение Гавайской горячей точки в прощлом, в предположении, что Реюньон и Гавайи остались неподвижны относительно друг друга; для чего они используют датированные следы оставленные на Африканской и Индийской плитах горячей точкой Реюньон, от ее начала, как траппы Декан 65 млн лет назад. График разброса значений (несоответствия) между предсказанными и наблюдаемыми позициями для Гавайской горячей точки, как функция времени (рис. 2а) показывает, что две "горячие точки" на самом деле медленно дрейфовали на ~10 мм в год, в течение последних 45 млн лет, и в гораздо более быстрыми темпами (~50 мм / год) до этого (в предположении, что нет пропущенной границы плит или неучтенных движений между Восточной и Западной Антарктидой). Это подтверждает сделанные ранее выводы [32, 33]. Мы пришли к выводу, что первичные горячие точки формируют два различных подмножества, по одному в каждом из двух геодинамически различных полушариях. Каждое подмножество деформируется медленнее, чем типичная скорость плит. Два подмножества перемещались медленно в последние 45 млн лет, но значительно быстрее в предшествующий (протяженностью, как минимум 35 млн лет) период.

На рисунках 2в и 2с показаны полученные палемагнитным методом палеошироты для горячих точек Гавайи [34,35], и Реюнион [36,37,38]. Эти горячии точки могут быть использованы как наиболее задокументированные представители каждого полушария. Несморя на разброс, данные отчетливо указывают на двухфазную историю, в которой наблюдались незначительные широтные движения в последние 45 млн лет и значительное движение по направлению к экватору до этого, примерно 60 мм в год для Гаваев 30 мм в год для Реюнион. Имеется неопределенность во времени (до 5 млн лет) смены одной фазы к следующим 40-50 млн лет. Время порядка 45 млн лет это наиболее достоверное время, фиксируемое временем излома Гавае – Императорской цепочки, если это действительно общее время изменения всех процессов, описанных на рисунке 2, которые мы будем считать основанием первого приближения.
Недавно были переопределены оценки истинных блужданий полюсов [39] за последние 200 млн лет. Переопределение было основано на палеомагнитных ограничениях движения системы отсчета, привязанной к горячим точкам, по отношению к оси вращения Земли. Были небольшие блуждания полюса в течение последних ~50 млн лет, которым предшествовали устойчивые значительные блуждания, до ~30 мм в год, вплоть до 130 млн лет назад (Рис. 2d). Было отмечено [39], что эта оценка блуждания полюса ненадежна, так как основана только на горячих точках Индо-Атлантического полушария; не включены Тихоокеанские данные, частично потому, что эти данные не отвечают критериям надежности, используемых в исследовании, частично потому, что передача этих данных через Антарктиду была сочтена слишком ненадежной. Другая кривая TPW может быть получена при использовании Тихоокеанских данных [39, 40]; кривая близка к Индо-Атлантической TPW и кажется, что проверка первого порядка приводит к выводу о том, что TPW есть глобальное явление [39]. Но при более детальном рассмотрении оказывается, что блуждания полюса, апределенные по двум полушариям заметно смещены относительно друг друга (до ~12±50 ) между ~50 и ~90 млн лет.

Схожесть между четырьмя кривыми, показанными на рисунке 2, каждая из которых паказывает скачкообразное изменение скорости ~40-50 млн лет назад, впечатляет. Эта общая особенность может быть использована при попытке ограничить глубину, из которой произошел первичный плюм; происхождение движений, которые они трассируют; и, возможно, происхождение эпизодических блужданий полюса.

Мы видим, кинематические особенности первичных горячих точек дают возможность сделать вывод о том, что они принадлежат двум отдельным полушариям. Эти два полушария простираются от транзитной зоны до границы с ядром, что было обнаружено на сейсмических изображениях нижней мантии, разрешающая способность которых непрерывно возрастала последние 20 лет [25,26,41,42,43,44,45] (Рис. 1в). Два полушария так же увязываются с преобладающими 2-х градусными особенностями геоида [41-47]. В настоящее время конвекция в нижней мантии, как представляется, доминирует в квадрупольной моде [48], в которой холодный, более плотный материал субдуцирует и погружается в мантию, охватывая две большие области с центрами, расположенными приблизительно с противоположных сторон экваториальной области, под Африкой и центральной частью Тихого океана, где горячее, менее плотное и низкоскоростное вещество (два суперплюма) поднимается вверх. Много горячих точек располагаются выше этих "горячих" регионов [49] (Рис 1в). При более детальном рассмотрении, картина в горячих полусферах может оказаться более сложной. Два массивных плюма, отвечающих за суперподнятия под западной Африкой и Французской Полинезией [25,26,50] не столько горячее, сколько химически неоднороднее вмещающего вещества [51]. Несмотря на то, что суперплюмы располагаются примерно в центральной части горячих областей, шесть из семи первичных горячих точек находятся в пограниных районах этих областей. Лишь Исландский плюм довольно далеко расположен от этих горячих областей. Однако следует отметить, что динамические поднятия ассоциируют с суперплюмами и, по крайней мере, пять первичных горячих точек (Louisville, Hawaii, Tristan, Reunion and Iceland) не пересекаются (с суперплюмами?) (Рис. 3). Следовательно, хотя первичные горячие точки и кажутся связанными с конвекцией в нижней мантией, они могут происходить не из суперплюмов.

Первичные горячие точки могут быть прослежены в верхней мантии под транзитной зоной; они могут быть продуцированы только плюмами, которые возникают из неусточивых областей пограничного термального слоя. Наиболее предпочтительное положение подобных зон – внутри транзитной зоны и на границе мантии и ядра. Сейсмология пока еще не в состоянии выявить стволы отдельных плюмов в нижней мантии и, поэтому, не может ответить на вопрос о том, зародились ли первичные плюмы глубже транзитной зоны. Недавно проведенный геохимических анализ свидетельствуе в пользу того, что плюмы зарождаются в транзитной области [24]. В другой работе [52] вовлекается нижняя мантия, обогащенная Fe и Si и обедненная Mg; тот факт, что базальтовые лавы океанических островов значительно обогащены Fe, свидетельствует в пользу нижнемантийного происхождения первичных плюмов. Как утверждается в работах [13,23], продуцирование траппов в начальной стадии горячей точки, как расплава связанного с головной частью плюма требует расплавления более, чем 10⁸ км³ мантийного вещества, потенциально заполняющего верхнюю мантию. Не ясно, как такое большая нестабильность могла бы сформироваться в транзитной области. Лабораторные и численные эксперименты показывают, что такую нестабильность можно произвести в термальном слое на границе мантия – ядро. Хвосты (стволы) первичных плюмов имеют возраст порядка 130 млн лет. Действительно, все плюмы, зародившиеся как траппы в последние 100 млн лет (Ethiopia-Yemen/Afar, Greenland/Iceland, Deccan/Reunion) до настоящего времени достаточно активны, в то время, как те, что зародились между 100 и 140 млн лет могут быть пропущены (Ontong-Java/Louisville, Parana-Etendeka/Tristan), а те, что старше 150 млн лет не имеют, в целом, активных следов (Karoo, CAMP, Siberia, Emeishan) [16]. Аргументы механики жидкости показывают, что существовующие в настоящее время очень большие головные части плюмов и маленькие , но длинные и прочные хвосты могут быть продуцированы только на глубинах, значительно превышающих глубину транзитной зоны. В заключении отметим, что хотя и сейсмологии, и геохимии еще предстоит продемонстрировать происхождение первичных плюмов из пограничной области между мантией и ядром, это происхождение нам кажется предпочтительным по следующим причинам:
(1) аргументы механики жидкости,
(2) наблюдения огромных объемов, которые должны быть выплавлены, чтобы продуцировать покровные базальты и
(3) длительное существование подводящих каналов, которые должны продуцировать цепочки островов.

Поставим вопрос о том, возможно ли происхождение двух типов апвеллингов, разного масштаба – "суперплюмов" и "первичных" плюмов из глубин на уровне подошвы нижней мантии? Последние эксперименты [57,58] показали, что одновременная генерация суперплюмов и плюмов горячих точек действительно возникает естественным путем из термохимический конвекции в неоднородной мантии. Этот стиль зависит от показателя плавучести (отношение химической плотности аномалии к термальной плотности аномалии): для низкой плавучести (т. е. слабые аномалии плотности химического происхождения) генерируются большие купола или суперплюмы, в то время, как при высокой плавучести продуцируются долгоживущие термохимические плюмы [57,58]. Аномалии плотности химического происхождения выявленные по сейсмическим данным и по данным физики минералов (по величие, возможно, меньшие, чем 2%) могут быть достаточными для продуцирования двух типов плюмов. В этих рамках, первичные плюмы могут быть термохимическими плюмами, продуцированными из неустойчивостей, вовлекших химические аномалии с большей плотностью. Более того, посколку термальный пограничный слой будет существовать на границе между суперплюмом и остальной мантией, от может генерировать вторичные термальные плюмы, тем более, если купол остановился в транзитной зоне, как это может быть в случае с Полинезией: множество горячих точек, которые произвели короткие линейные следы без покровных базальтов (т. е. Tahiti, Cook-Australs and Pitcairn), могут быть отнесены к вторичному типу плюмов. Отметим, что поверхностные движения этих вторичных плюмов будут также отражать ковекцию нижней мантии, следовательно будут согласовываться с плюмами, производными от первичных плюмов. Однако связанные с этими вторичными плюмами следы слишком короткие, для того чтобы отчетливо тестировать эти плюмы [8,12,15,19]. В любом случае, короткие по длине и по времени следы и отсутствие покровных базальтов в начале этих горячих точек, позволяет отличать вторичные горячие точки от первичных.

Из-за высокой вязкости части нижней мантии [12,27] первичные (и, возможно, вторичные) плюмы ведут себя как квазипассивные трассеры крупномасштабных движений, навязанных нижней мантии квадруполярной конвекцией. Наличие двух групп первичных горячих точек свидетельствуют о наличии двух отдельных резервуарах квадруполярной конвекции, расположенных под Тихоокеанским и Африканским суперапвеллингами, которые медленно перемещались (~10 мм в год) последние ~40-50 млн лет относительно друг друга, но претерпели значительные (~50 мм в год), равномерные относительные движения в предшествующие десятки миллионов лет. Эти движения продолжались и до старейших из сохранившихся следов Гавайской горячей точки (т. е. до 80 млн лет назад). Мы обратимся к кривой движения полюса (TPW) для того, чтобы оценить, когда это движение началось. Следов горячих точек становится меньше и следы становятся более неуверенные когда они идут назад в прошлое, и к оценкам движения полюса ранее 100 млн лет следует относиться с осторожностью. Однако имеются индикаторы [39] того, что основная фаза блуждания полюса началась ~130 млн лет назад. Что запустило этот процесс? Геометрия аномалий плотности, ассоциируемые с двумя апвеллингами (в частности с двумя суперподнятиями) не имеют большого влияния на главную ось инерции Земли и, следовательно, на блуждание полюса [60]. С другой стороны, холодный субдуцируемый материал, аккумулируемый в основании зоны субдукции в транзитной зоне, вдоль огромной ветви квадрупольной конвекции в нижней мантии, мог бы запустить значительный обвал в нижней мантии [61,62,63]. Подобный обвал мог бы начаться в транзитной зоне около 130 млн лет назад, и вполне мог отклонить Землю на серию блужданий полюса,продолжавшихся до ~40-50 млн лет назад. Альтернативной интерпретацией могло бы быть исчезновение основной зоны субдукции, после чего и тепловой поток и средняя температура значительно и быстро изменились бы. Самое последнее событие, совершавшееся 40-50 млн лет назад могло быть связано с закрытием огромной зоны субдукции Тетиса, вслед за генерализацией Индийской коллизии, что предлагалось в течении длительного времени для объяснения Гавае – Императорского изгиба [64]. Отклонения полюсов Земли могут быть результатом подобных (редких) событий, которые сменяются периодами устойчивости, продолжающиеся десятки миллионов лет. А первичные горячие точки могли бы быть основным источником информации об истории того времени, в котором они существовали, являясь пассивными маркерами перестройки в двухячеистой геометрии нижнемантийных резервуаров.

Мы предполагаем, что поверхностные горячие точки имеют три различных происхождения (Рис. 4):
(а) Как минимум семь горячих точек могут происходить из наиболее глубокой части нижней мантии, возможно "прикрепленные" к химическим неоднородностям, находящимся в слое D" [55,56]. Так как мы произвели консервативный подсчет , реальное число первичных горячих точек может быть порядка десяти.
(в) Некоторые горячие точки (~20) могут происходить из подошвы транзитной зоны, с вершины поднявшихся куполов, связанных суперподнятиями: Caroline, Mc Donald, Pitcairn, Samoa and Tahiti. Это вторичные горячие точки.
(с) Оставшиеся горячие точки (~20) могут иметь верхнемантийное происхождение. Эти горячие точки могут быть связаны с астеносферой и быть пассивным ответом на формирование разрывов литосферы. Эти объекты являются предметом всестороннего изучения [7,10].
Смешивание трех различных типов горячих точек, в надежде установить единое их происхождение, может быть причиной большинства дискуссий последнего десятилетия, в которых обсуждаются противоречивые модели различных авторов. Три типа горячих точек могут соответствовать трем пограничным слоям между границей ядро-мантия и поверхностью Земли. Поэтому не может быть больше, чем эти три типа горячих точек.

Авторы отсылают читателей к статье (Cooling the core and mantle by plume and plate flows, Geophys. J. Int., 115, 1993, 132-146) в которой в сжатой форме рассматривается охлаждение ядра и мантии Земли (мантии за счет тектоники плит и ядра за счет плюмов).

Автор высказывает благодарность следующим персонам: Claude Alle'gre, Don Anderson, Alain Bonneville, Bernard Bourdon, Anny Cazenave, Harmon Craig, David Evans, Ken Farley, Gilian Foulger, Stuart Gilder, Marc Javoy, Joe Kirshvink, Stephane Labrosse, Jean Paul Montagner, Manuel Moreira, Jean Paul Poirier, Luc-Emmanuel Ricou, Barbara Romanowicz, Norm Sleep, Bernhard Steinberger, David Stevenson, and Peter Wyllie. Отдельная благодарность Jeroen Ritsema за широкую помощь с томографическими данными, при подготовке Рис. 1, а также ряду организаций.

Распределение 49 горячих точек из таблицы 1 (черные кружки), наложенное на томографические модели скоростей поперечных волн (VS) для глубин 500 км и 2850 км [25]. Цветом обозначены значения изменения скорости от -2% (красный цвет) до +2% (синий цвет). Семь "первичных" горячих точек, обозначены на схемах красными кружками и первыми буквами имени соответствующей горячей точки (A - Afar, Е - Easter, H - Hawaii, I - Iceland, L - Louisville, R - Reunion, Т - Tristan).

Рис 2. Горячие точки, выделенные к настоящему времени.

Временные изменения (горизонтальная ось – время, шаг десять миллионов лет, от 0 до 100 млн лет) четырех важных кинематических, географических или динамических индикаторов движения горячих точек. На всех графиках наблюдается ступенчатое изменение скорости движения на времени 40 – 50 млн лет. Поведение скорости показано непрерывной красной линией или пунктирной черной линией, в зависимости от того, когда произошло изменение скорости – 40 млн лет назад (красная линия) или 50 млн лет назад (пунктирная черная линия). а – Расстояние между наблюденными и предсказанными позициями для Гавайской горячей точки [17]. Прогноз позиций основан на предположении, что горячие точки Реюньон и Гавайские острова остались неподвижны относительно друг друга; датированный след горячей точеки Реюнион передается Тихоокеанской плите с кинематические параметрами, которые обсуждаются в работе [17], особенно те, в глубоководном желобе Адар (Adare) между Восточной и Западной Антарктидой. в, с – широтные изменения горячих точек Реюнион и Гаваи, основанные на данных из работ [34, 35, 36, 37, 38]. d – Скорость блуждания полюса вдоль следа горячей точки с интервалом 10 млн лет [39].

Первичные плюмы и суперподнятия показанные на томографической схеме поперечных волн для глубины 2850 км [25]. Положительные (повышенные скорости, холодные) аномалии показаны синими тонами. Отрицательные (пониженной скорости, разогретые) аномальные области показаны белым цветом. (полная схема представлена на Рис. 1в). Положение Тихоокеанского и Африканского суперподнятий представлены большими розовыми точками. Семь первичных горячих точек показаны маленькими красными точками. Три горячие точки, которые могут быть включены в группу первичных горячих точек (см. текст), показаны зелеными точками с красными краями. Первичные горячии точки имеют тенденцию к развитию над разогретыми регионами, но вне пределов обоих суперподнятий и холодных (связанных с субдукцией) поясов.

Схематический разрез динамической Земли, проведенный через ось вращения, проходящий через три типа плюмов/горячих точек, определенных в этой статье:
(1) "первичные" или основные, глубочайшие плюмы, возможно, пришли из наиболее глубокого, мантийного пограничного слоя (D" в общем понимании) – основной предмет этой статьи; (2) "вторичные" плюмы, возможно пришедшие от вершины свода на глубине транзитной зоны у местоположения суперподнятия, как определено в работах [46,47] ; (3) "третичные" горячие точки могут иметь неглубокое происхождение, связанное с разтягивающими напряжениями литосферы и декомпрессионным плавлением [9,10]. Имеется порядка 10 первичных (наиболее глубоких) плюмов, формирующихся в экваториальной части вокруг двух противоположно расположенных сводовых поднятий под центральной частью Тихого океана и под Африкой. В настоящее время только хвосты плюмов (но не головные части плюмов) активны и близко расположены к поверхности Земли, а количество плюмов, показаных в одном сечении меньше их общего количества. Жидкостно – механические аспекты базируются на экспериментальных исследованиях термодинамических плюмов [57,58], и своды в нижней мантии базируются на сейсмической томографии [25,26]. Положение возможных нисходящих потоков нижнемантийных квадрупольных конвекционных ячеек определется по прогибам в транзитной зоне, хотя, как принято считать, в настоящее время нет активных явлений подобного типа.

	Hotspot	Lat	Lon (°E)	Track	Flood/ plateau	Age (Ma)	Buoy.	Reliab.	3He/4He	Tomo (500)	Count
1	*Afar*	*10N*	43	no	*Ethiopia*	30	1	*good*	*high*	*slow*	4
2	Ascension	8S	346	no	no	/	na	na	na	0	0+?
3	Australia E	38S	143	yes	no	/	0.9	fair	na	0	1+?
4	Azores	39N	332	no?	no	/	1.1	fair	high?	0	1+?
5	Baja/Guadalupe	27N	247	yes?	no	/	0.3	poor	low	0	0+?
6	Balleny	67S	163	no	no	/	na	na	na	0	0+?
7	Bermuda	33N	293	no	no?	/	1.1	good	na	0	0+?
8	Bouvet	54S	2	no	no	/	0.4	fair	high	0	1+?
9	Bowie	53N	225	yes	no	/	0.3	poor	na	slow	2+?
10	Cameroon	4N	9	yes?	no	/	na	na	na	0	0+?
11	Canary	28N	340	no	no	/	1	fair	low	slow	2
12	Cape Verde	14N	340	no	no	/	1.6	poor	high	0	2
13	*Caroline*	5N	*164*	*yes*	no	l	2	*poor*	*high*	0	3
14	Comores	12S	43	no	no	/	na	na	na	0	0+?
15	Crozet/Pr. Edward	45S	50	yes?	Karoo?	183	0.5	good	na	0	0+?
16	Darfur	13N	24	yes?	no	/	na	poor	na	0	0+?
17	Discovery	42S	0	no?	no	/	0.5	poor	high	0	1+?
18	*Easter*	*27S*	*250*	*yes*	*mid-Pac mnt?*	*100?*	3	*fair*	*high*	*slow*	*4+?*
19	Eifel	50N	7	yes?	no	/	na	na	na	0	0+?
20	Fernando	4S	328	yes?	CAMP?	201 ?	0.5	poor	na	0	0+?
21	Galapagos	0	268	yes?	Carribean?	90	1	fair	high	0	2+?
22	Great Meteor/New England	28N	328	yes?	no?	/	0.5	poor	na	0	0+?
23	*Hawaii*	*20N*	*204*	*yes*	*subducted?*	*> 80?*	*8.7*	*good*	*high*	*slow*	*4+?*
24	Hoggar	23N	6	no	No	/	0.9	poor	na	slow	1
25	*Iceland*	*65N*	*340*	*yes?*	*Greenland*	61	*1.4*	*good*	*high*	*slow*	*4+?*
26	Jan Mayen	71N	352	no?	yes?	/	na	poor	na	slow	1+?
27	Juan de Fuca/Cobb	46N	230	yes	no	/	0.3	fair	na	slow	2+?
28	Juan Fernandez	34S	277	yes?	no	/	1.6	poor	high	0	2+?
29	Kerguelen(Heard)	49S	69	yes	Rajmahal?	118	0.5	poor	high	0	2+?
30	*Louisville*	*51S*	*219*	*yes*	*Ontong-Java*	*122*	*0.9*	*poor*	na	*slow*	*3+?*
31	Lord Howe (Tasman East)	33S	159	yes?	no	/	0.9	poor	na	slow	1+?
32	Macdonald (Cook-Austral)	30S	220	yes?	yes?	/	3.3	fair	high?	slow	2+?
33	Marion	47S	38	yes	Madagascar?	88	na	na	na	0	1+?
34	Marqueses	10S	222	yes	Shatski?	???	3.3	na	low	0	2+?
35	Martin/Trindade	20S	331	yes?	no	/	0.5	poor	na	fast	0+?
36	Meteor	52S	1	yes?	no	/	0.5	poor	na	0	0+?
37	Pitcairn	26S	230	yes	no	/	3.3	fair	high?	0	2+?
38	Raton	37N	256	yes?	no	/	na	na	na	slow	1+?
39	*Reunion*	*21S*	56	*yes*	*Deccan*	65	*1.9*	*poor*	*high*	0	4
40	St Helena	17S	340	yes	no	/	0.5	poor	low	0	1
41	*Samoa*	*14S*	*190*	*yes*	*no?*	*14?*	*1.6*	*poor*	*high*	*slow*	4
42	San Felix	26S	280	yes?	no	/	1.6	poor	na	0	1+?
43	Socorro	19N	249	no	no	/	na	poor	na	slow	1+?
44	Tahiti/Society	18S	210	yes	no	/	3.3	fair	high?	0	2+?
45	Tasmanid (Tasman central)	39S	156	yes	no	/	0.9	poor	na	slow	2
46	Tibesti	21N	17	yes?	no	/	na	poor	na	0	0+?
47	*Tristan*	*37S*	*348*	*yes*	*Parana*	*133*	*1.7*	*poor*	*low*	0	3
48	Vema	33S	4	yes?	yes? (Orange R.) /	na	poor	na	0	0+?
49	Yellowstone	44N	249	yes?	Columbia?	16	1.5	fair	high	0	2+?
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
	Hotspot	Lat	Lon (°E)	Track	Flood/ plateau	Age (Ma)	Buoy.	Reliab.	3He/4He	Tomo (500)	Count

Горячие точки, приведенные в таблице, выбраны из ниболее часто цитируемых каталогов [6,11,12]. Таблица включает следующие колонки: 1 – имя горячей точки; 2,3 – широта и долгота; 4 – наличие линейного следа или цепи датированных подводных гор продолжающихся от в настоящее время активного положения горячей точки; 5,6 – наличие и возраст траппов (покровных базальтов) или океанических плато в начале цепочки подводных гор горячей точки[65]; 7, 8 - плавучесть (в 10⁸ kg s^-1) и достоверность ее определения [6]; 9 - наличие согласованных высоких значений отношения ³He/⁴He для горячей точки в соответствии с обзором Farley and Neroda [21] с некоторыми изменениями; 10 – наличие аномалий пониженных скоростей поперечных волн (VS) на глубине 500 км под под следом горячей точки на поверхности Земли (Рис. 1) в соответствии с томографической моделью Ритсемы и др. [25]; 11 – количество положительных значений для пяти характеристик из колонок 4, 5, 7, 9 и 10. Значение "один" для каждого столбца принимается, если выполняются следующие условия для соответствующих параметров:
- плавучесть (7) больше, чем 10⁸ kg s^-1;
- отношение ³He/⁴He (9) согласованно превышает в 10 раз это отношение для атмосферы RA;
- значения VS (10) в нижней четверти общего диапазона (-2% - +2%) относительно референтной скоростной модели на соответствующей глубине;
- наличие следа горячей точки (4);
- наличие трапповых базальтов или океанических плато (LIP – Large Igneous Province).
Если значение критерия не определено и может быть положительным, то к общему значению суммарного параметра в столбце 11 добавляется знак "?", что обозначает, что значение суммарного параметра может быть выше указанного. Горячие точки со значениями суммарного параметра не менее двух (из пяти) выделены жирным шрифтом, а горячие точки со значениями не ниже трех – жирным курсивом.

1. Wilson J.T., (1965) Evidence from oceanic islands suggesting movement in the Earth, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. A 258 145-167.
2. Morgan W.J., (1972) Plate motions and deep convection, Geol. Soc. Am. Mem. 132 7-22.
3. Morgan W.J., (1981) Hotspot tracks and the opening of the Atlantic and Indian oceans, in: C. Emiliani (Ed.), The Sea, Vol. 7, Wiley Interscience, New York, , pp. 443-487.
4. Turcotte D.L., Oxburgh E.R., (1973) Mid-plate tectonics, Nature 244 337-339.
5. Morgan W.J. (1978), Rodriguez, Darwin, Amsterdam,…, a second type of hotspot island, J. Geophys. Res. v. 83, Issue B11, p. 5355-5360.
6. Sleep N.H. (1990) Hotspots and mantle plumes: some phenomenology. J. Geophys. Res. 95 6715-6736.
7. Sleep N.H., Ridge-crossing mantle plumes and secondary hotspots, J. Geophys. Res., submitted.
8. Clouard V., and A. Bonneville. (2001) How many Pacific hotspots are fed by deep-mantle plumes?, Geology 29 695-698, doi: 10.1130/0091-7613 (2001)0290695:HMPHAF2.0.CO;2.
9. Anderson D. L. (1998) The edges of the mantle, in: M. Gurnis et al. (Eds.), The Core-Mantle Boundary Region, American Geophysical Union, Washington, DC, 1998, pp. 255-271.
10. Anderson D.L. (2000) The thermal state of the upper mantle: no role for mantle plumes, Geophys. Res. Lett. 27 3623-3626.
11. Davies G.F., (1988) Ocean bathymetry and mantle convection: 1. large-scale flow and hotspots, J. Geophys. Res. v. 93, p. 10467-10480.
12. Steinberger B. (2000) Plumes in a convecting mantle: Models and observations for individual hotspots, J. Geophys. Res. 105 11127-11152.
13. Richards M.A., Duncan R.A., Courtillot V., (1989) Flood basalts and hot spot tracks: Plume heads and tails, Science 246 103-107.
14. Molnar P., Stock J., (1987) Relative motions of hotspots in the Pacific, Atlantic and Indian oceans since late Cretaceous time, Nature 327 587-591.
15. Muller D.M., Royer J.Y., Lawver L.A., (1993) Revised plate motions relative to the hotspots from combined Atlantic and Indian Ocean hotspot tracks, Geology 21 275-278.
16. Courtillot V., Jaupart C., Manighetti I., Tapponnier P., Besse J., (1999) On causal links between flood basalts and continental breakup, Earth Planet. Sci. Lett. 166 177-195.
17. Raymond C.A., Stock J.M., Cande S.C., (2000) Fast Paleogene motion of the Pacific hotspots from revised global plate circuit constraints, in: The History and Dynamics of Global Plate Motions, Geophys. Monogr. 121 359-375.
18. Albers M., Christensen U.R., (1996) The excess temperature of plumes rising from the core-mantle boundary, Geophys. Res. Lett. 23 3567-3570.
19. Steinberger B., and R.J. O’Connell (1998) Advection of plumes in mantle flow; implications for hotspot motion, mantle viscosity and plume distribution. Geophys. J. Int. 132 412-434.
20. Moreira M., Allegre C.J., (1998) Helium-Neon systematics and the structure of the mantle, Chem. Geol. 147 53-59.
21. Farley K.A., Neroda E., (1998) Noble gases in the Earth’s mantle, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 26 189-218.
22. Moreira M., Staudacher T., Sarda P., Schilling J.G., Allegre C.J., (1995) A primitive plume neon component in MORB: The Shona ridge-anomaly, South Atlantic (510-520S), Earth Planet. Sci. Lett. 133 367-377.
23. Anderson D.L., (1998) The Helium Paradoxes, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95 4822-4827. 24. Allegre C.J., (2002) The evolution of mantle mixing, Philos. Trans. R. Soc. London 360 1-21.
25. Ritsema, J., H.-J. van Heijst, and J. H. Woodhouse (1999). Complex shear wave velocity tructure imaged beneath Africa and Iceland, Science 286, no. 5446, 1925–1928.
26. Gu, Y. J., A. M. Dziewonski, W. Su, and G. Ekstrom (2001). Models of the mantle shear velocity and discontinuities in the pattern of lateral heterogeneities, J. Geophys. Res. 106, 11,169–11,199.
27. Steinberger B., O’Connell R.J., (2000) Effects of mantle flow on hotspot motions, in: The History and Dynamics of Global Plate Motions, Geophys. Monogr., 121, 377-398 29. Molnar P., Stock J., (1985) A method for bounding uncertainties in combined plate reconstructions, J. Geophys. Res. 90 12537-12544.
30. Koppers A.A.P., Morgan J.P., Morgan J.W., Staudigel H., (2001) Testing the fixed hotspot hypothesis using 40Ar/39Ar age progressions along seamount trails, Earth Planet. Sci. Lett. 185 237-252.
31. Yan C.Y., Carlson R.L., (1997) The Cenozoic ‘fixity’ of the Hawaii and Louisville hotspots, and the rigidity of the Pacific plate, EOS Trans. Am. Geophys. U. 77 (17) S91.
32 Norton I.O., (1995) Plate motion in the North Paciашc: the 43 Ma non-event, Tectonics 14 1080-1094.
33. Tarduno J.A., Cottrell R.D., (1997) Paleomagnetic evidence for motion of the Hawaiian hotspot during formation of the Emperor seamounts, Earth Planet. Sci. Lett. 153 171-180.
34. Kono M., (1980) Paleomagnetism of DSDP Leg 55 basalts and implications for the tectonics of the Pacific plate, Init. Rep. Deep Sea Drill. Proj. 55 737-752.
35. Tarduno J.A., Gee J., (1995) Large-scale motion between Pacific and Atlantic hotspots, Nature 378 477-480.
36. Vandamme D., Courtillot V., (1990) Paleomagnetism of Leg 115 basement rocks and latitudinal evolution of the Reunion hotspot, Sci. Res. Proc. Ocean Drill. Prog. 115 111-117.
37. Vandamme D., Courtillot V., (1990) Latitudinal evolution of the Reunion hotspot deduced from paleomagnetic results of Leg 115, Geophys. Res. Lett. 17 1105-1108.
38. Schneider D.A., Kent D.V., (1990) Paleomagnetism of Leg 115 sediments: implications for Neogene magnetostratigraphy and paleolatitude of the Reunion hotspot, Sci. Res. Proc. Ocean Drill. Prog. 115 717-736.
39. Besse J., Courtillot V., Apparent and true polar wander and the geometry of the geomagnetic field in the last 200 million years, J. Geophys. Res., in press.
40. Petronotis K.E., Gordon R.G., (1999) A Maastrichtian paleomagnetic pole for the Pacific plate from a skewness analysis of marine magnetic anomaly 32, Geophys. J. Int. 139 227-247.
41. Masters G., Jordan T.H., Silver P.G., and F. Gilbert (1982) Aspherical Earth structure from fundamental spheroidal-mode data, Nature 298 609-613.
42. Dziewonski A.M., and J.H. Woodhouse, (1987) Global images of the Earth’s interior, Science 236 37-48.
43. Su W.R., Woodward R.L., and A.M. Dziewonski, (1994) Degree 12 model of shear velocity heterogeneity in the mantle. J. Geophys. Res. 99 6945-6981.
44. Li, X.-D., and B. Romanowicz (1996). Global mantle shear velocity model developed using nonlinear asymptotic coupling theory, J. Geophys. Res. 101, 22,245–22,272.
45. Masters G., Johnson S., Laske G., and H. Bolton,(1996) A shearvelocity model of the mantle, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. A 354 1385-1410.
46. Richards M., and B.V. Hager, (1988) The Earth’s geoid and the large scale structure of mantle convection, in: The Physics of the Planets, Wiley, New York, 1988, p. 247-272.
47. Cazenave A. ,Souriau A., and K. Dominh,(1989) Global coupling of Earth surface topography with hotspots, geoid and mantle heterogeneities, Nature 340 54-57.
48. Busse F.H., (1983) Quadrupole convection in the lower mantle?, Geophys. Res. Lett. 10 285-288.
49. Chase C.G., (1979) Subduction, the geoid, and lower mantle convection, Nature 282 464-468.
50. Romanowicz B., and Y. Gung, (2002) Superplumes from the core-mantle boundary to the base of the lithosphere, Science 296 513-516.
51. Breger L., and B. Romanowicz, (1998) Three-dimensional structure at the base of the mantle beneath the central Pacific, Science 282 718-720.
52 Javoy M., (1999) Chemical earth models, C. R. Acad. Sci. Paris Earth Planet. Sci. 329 537-555.
55. Olson P. ,Schubert G., and C. Anderson, (1987) Plume formation in the D" - layer and the roughness of the core-mantle boundary, Nature 327 409-413.
56. Bercovici D., Kelly A., (1997) The non-linear initiation of diapirs and plume heads, Phys. Earth Planet. Int. 101 119-130.
57. Davaille A., (1999) Simultaneous generation of hotspots and superswells by convection in a heterogeneous planetary mantle, Nature 402 756-760.
58. Davaille A., Girard F., Le Bars M., (2002) How to anchor hotspots in a convecting mantle?, Earth Planet. Sci. Lett. 203 621-634.
60. Richards M.A., Bunge H.P., Ricard Y., Baumgardner J.R., (1999) Polar wandering in mantle convection models, Geophys. Res. Lett. 26 1777-1780.
61. Weinstein S.A., (1993) Catastrophic overturn of the Earth’s mantle driven by multiple phase changes and internal heat generation, Geophys. Res. Lett. 20 101-104.
62. Steinbach V., Yuen D.A., (1994) Effects of depth dependent properties on the thermal anomalies produced in flush instabilities from phase transitions, Phys. Earth Planet. Int. 86 165-183.
63. Brunet D., Machetel P., (1998) Large-scale tectonic features induced by mantle avalanches with phase, temperature and pressure lateral variations in viscosity, J. Geophys. Res. 103 4929-4945.
64. Patriat P., Achache J., (1984) India-Asia collision chronology has implications for crustal shortening and driving mechanism of plates, Nature 311 615-621.
65. V. Courtillot, P. Renne, On the ages of flood basalt events, C. R. Acad. Sci. Paris, in press.

Три различных типа горячих точек в мантии Земли.

(Courtillot V.,Davaille A., Besse J., and J. Stock Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters 205 (2003) 295-308.)