Какво се крие под вулканите?

Геофизиците обикалят по света в търсене на доказателства за съществуването на мантийни плумове (струи) – възможен източник на силни вулканични изригвания.

Тази есен Карин Сиглок се отправила на плаване по Индийския океан, за да провери капани, които била поставила година по-рано. Тя търсела не дълбоководни същества, а нещо още по-дълбоко и неуловимо – тънък поток горещи породи, издигащи се от недрата на планетата.

Карин Сиглок – геофизик от „Лудвиг Максимилиан университет” в Мюнхен – е една от тези, които продължават търсенето на мантийни плумове. Тези образувания, изглежда, захранват редица от най-активните вулкани на Земята, а в миналото е възможно да са станали причина за най-мащабните изригвания в историята. Например този, който следи Сиглок, е бил свързан с изригване в Индия преди 65 млн. години и довел до изчезването на динозаврите.

Мантийните плумове биха могли също да обяснят защо хавайските вулкани и много други се появяват в средата на литосферните плочи, а не само на техните граници. Накрая, носейки топлината, затворена в недрата на Земята, плумовете може да са изиграли важна роля в еволюцията на планетата.

Изучаването на мантийните плумове е едно от основните направления на геофизиката от началото на 70-те години на ХХ век. За тяхното наличие сочат сеизмичните вълни, но остава неясно например колко дълбоки и големи са те. И досега някои специалисти не вярват в тяхното съществуване.

Ето защо Сиглок и Гилем Баруол от университета в Рен (Франция) шест седмици се занимавали с изследване на дълбините на Индийския океан. Независимо от лошото време, проблемите с оборудването и нападенията на акули, френско-германският екип извадил всички 57 сеизмографа, оставени на дъното през есента на 2012 г.

Уредите регистрирали сеизмични вълни от далечни земетресения. Анализът на вибрациите ще помогне да се състави картина на породите под Реюнион и вероятно да се видят канали от мантийни плумове, водещи към главния вулкан на острова.

Ако късметът се усмихне на учените, те ще опишат мантийните плумове по най-подробен начин в историята на геологията. Така ще бъдат получени отговори на редица нерешени въпроси за това къде възникват плумовете, повдигат ли се те вертикално, разклоняват ли се непосредствено преди да разкъсат повърхността на Земята.

„Засега за плумовете се разсъждава без непосредствени наблюдения – отбелязва Баруол. – Нашият експеримент ще позволи най-сетне да видим има ли там в действителност нещо.”

Попитайте геофизиците колко мантийни плума има по света и отговорът може да бъде най-различен – от нула до няколко десетки. Повечето учени се спират на 10-20 горещи точки и почти всички признават, че те са разположени на Хаваите, Реюнион и Тристан да Куня в южната част на Атлантическия океан. Проблемът е в това как именно тези региони са свързани с плумовете.

На този въпрос може да се отговори с помощта на земетресенията. Тъй като сеизмичните вълни по-бавно преминават през разтопените или меките породи, отколкото през твърдите, изследователите могат да изчислят разликата в температурите и плътността в Земята, анализирайки скоростта, с която сеизмичните вълни достигат до различните станции след труса. Това ще позволи да се изследват външната кора на планетата и мантията – чак до границите с ядрото на дълбочина около 2900 км.

Проблемът е в това, че сеизмичните данни не отразяват добре тесните образувания, а диаметърът на плумовете вероятно е няколкостотин километра. Когато попаднат в долната литосфера, те се разширяват, формирайки главата на плума.

Има мнение, че Хавайският архипелаг е резултат от движението на земната кора над плум.
© Nature

Остава да обхванем повърхността на Земята с колкото се може по-големи инструменти. Такъв подход се е представил добре на места като Националния парк Йелоустоун, който, както се смята, също лежи на върха на мантиен плум, отговорен за едно от най-силните изригвания в последните 2 млн. години. Тези данни са получени благодарение на проекта EarthScope, съществуващ вече девет години – временни сеизмографи са били разположено на пространствена решетка със стъпка 70 км. Те са успели да открият горещ, тесен излизащ поток с дълбочина не по-малко от 900 км.

Но много мантийни плумове лежат под океаните, а поставянето на уреди на морското дъно е по-сложна и скъпа задача. В началото на XXI век Баруол е направил първата крачка към изучаването на предполагаемия океански плум, като поставил десет сеизмични станции на островите от Френска Полинезия. Това се оказало недостатъчно да се определи има ли излизащи потоци под южната част на Тихия океан.

През 2005 година учените от Хавайския университет и техните колеги повишили броя и разположили 36 сеизмографа на дъното на океана около Хавайските острови. След година ги преместили и ги оставили за още една. Проектът PLUME е дал най-добрите засега данни за строежа на недрата на Земята под Хаваите.

Но колкото по-дълго изследователите гледали на хавайския плум, толкова повече се усложнявала картината. Според класическите представи струята горещи лепкави скали се повдига до долната част на литосферата, където се разтича на своеобразна палачинка с дебелина около 100 км, откъдето се просмуква нагоре и подхранва вулканите. Но на Хаваите била открита неочаквана издутина дълбоко под литосферата.

Геофизикът Максим Балмър от Хавайския университет в САЩ смята, че нещата опират до химията на породите. Ако плумът е богат на минерали под названието еклогит, който е по-плътен от типичния материал на мантията, той ще се задържа на дълбочина около 400 км. Разтопените скали там ще се натрупват и разтичат в хоризонтална посока. Само след като отдолу постъпи достатъчно топлина, породата, богата на еклогит, ще стане достатъчно течна и ще започне да се повдига в тънка струйка.

Хаваите имат и други странности. Екипът на Катрин Райкарт от университета в Саутхемптън (Великобритания) е открил в данните на проекта PLUME топъл басейн на дълбочина 110–155 км, но той се намира около 100 км западно от главния остров на архипелага, а не под него. Това може да означава, че хавайският плум се огъва с приближаването на повърхността. Или се натъква на някаква химична граница, или от самото начало се повдига не строго вертикално.

Проблемът на Хаваите е в това, че те лежат в средата на Тихия океан. Реюнион е удобен с това, че е до Мадагаскар, а оттам е една ръка разстояние до Африка, затова разполагането на сеизмични уреди е по-лесно. Освен това Сиглок и Баруол могат да се възползват от данните, получени в Африка, на Мадагаскар и на островите от Мозамбикския проток в допълнение към своите. Общо на тяхно разположение са около 120 станции, покриващи територия 2000 х 3000 км.

Но дори така Реюнион едва ли ще отговори на всички въпроси, смята сеизмологът Сесили Уулф от Хавайския университет. А критиците на хипотезата за плумовете са предубедени в това, че никакви нови данни няма да ги накарат да променят гледната си точка. Според един то тях – геофизика Уорън Хамилтън от Колорадското минно училище (САЩ), „плумолозите” могат да привидят плум под всеки набор от данни.

Nature News