Круговорот огня: как морская вода создает вулканы посреди континентов

Если спросить человека с улицы о природе вулканов, он ответит примерно так. Под твердой земной корой находится расплавленная жидкая мантия. Жерла вулканов — это дырки в коре, через которые вещество мантии, оно же магма, изливается на поверхность. Простая, ясная и совершенно неверная картина. Истина гораздо интереснее.

Мантия Земли действительно горячая: около 1300-1500°C непосредственно под корой. Однако мантийное вещество твердое как камень, отнюдь не расплавленное и не называется магмой. Впрочем, несмотря на свою жесткость, мантия не совсем неподвижна. В ней есть вертикальные и горизонтальные потоки, скорость которых — считанные сантиметры в год. Так «течет» на жаре дорожный асфальт, все еще достаточно твердый, чтобы разбить об него голову. Считать мантию условно жидкой и рассуждать о потоках и плавучести можно только на промежутках времени в сотни миллионов лет.

Планета как конвейер 

Раскаленные потоки мантийного вещества поднимаются из недр планеты, оставаясь почти такими же горячими, как были в глубинах. Но вблизи поверхности давление многократно меньше, поэтому «всплывшее» твердое мантийное вещество плавится. Образуется та самая магма, которая, впрочем, тоже не настоящая жидкость. Это смесь кристаллов, жидкого расплава и газов, по консистенции похожая на газированную манную кашу. Магма прорывает тонкую океаническую кору и изливается на поверхность, становясь вулканической лавой. Места, где это происходит, называются срединно-океаническими хребтами.

Громадные объемы лавы застывают и превращаются в самую молодую на планете кору. Так океанические тектонические плиты прирастают по краям. Но Земля круглая, и на ней нет свободного от коры места. Если в срединно-океанических хребтах образуется новая кора, значит, где-то и куда-то должна деться старая. Это «где-то» называется зонами субдукции. Здесь океанические плиты, не выдержав напора соседей, подныривают под материки и погружаются обратно в мантию, из вещества которой когда-то были созданы. Земную кору можно представлять себе как конвейерную ленту, выползающую из срединно-океанических хребтов и скрывающуюся в зонах субдукции. Это и есть причина знаменитого дрейфа тектонических плит и движения континентов.

Зоны субдукции богаты вулканами. Дело в том, что плиты океанической коры насыщены водой. Погружаясь в мантию, они несут с собой эту воду. Температура плавления коктейля «вещество верхней мантии + вода» значительно ниже, чем у того же самого вещества в сухом состоянии. Поэтому даже без дополнительного тепла оно расплавляется в магму, питающую вулканы. Такова природа Тихоокеанского огненного кольца, где сосредоточено 80% из примерно 1500 действующих вулканов планеты.

Есть и другие механизмы возникновения вулканов, но почти все они приурочены к границам тектонических плит. Однако порой вулканы возникают прямо посреди тектонической плиты, будь то тонкая океаническая плита или даже толстая материковая.

Правда, вертикальные восходящие потоки из недр планеты есть не только под срединно-океаническими хребтами. По не до конца ясным причинам в других местах они тоже случаются, правда, в куда более скромных масштабах. Тепло этих небольших потоков — так называемых плюмов — плавит земную кору. Плюмы питают магмой, например, очаги гавайских вулканов или супервулкана Йеллоустон. Но под большинством «внутриплитных» вулканов нет подобных «грелок». Как и почему образовались эти вулканы — большая загадка. Авторы недавней научной статьи выдвинули собственную интригующую версию.

Просто добавь воды

Вспомним, что в зоне субдукции океанические плиты тонут в мантии. Но на этом их история не заканчивается. Продолжая медленно тонуть, плита может погрузиться в переходную зону между верхней и нижней мантией на глубине 400–700 км. «Нырнувшая» плита продолжает движение и по горизонтали и может в конечном счете оказаться далеко от зоны субдукции, где покинула земную поверхность. Да и сами зоны субдукции не стоят на месте, а движутся вместе с материками.  Движение «утопленницы» в глубине и «остающихся на плаву» плит по поверхности накладываются друг на друга. Через десятки миллионов лет над утонувшей плитой может оказаться «ничего не подозревающая» плита с поверхности. По мысли авторов, бурная деятельность «соседки снизу» порождает на ней вулканы.

Каким образом присутствие утонувшей плиты создает очаг расплавленной магмы? Вспомним, что океанические плиты насыщены водой.  Геологи давно подозревают, что лишь небольшая часть водных запасов выделяется в зоне субдукции и питает местные вулканы магмой. Все остальное уходит в мантию вместе с плитой. 

Правда, в мантии и без того в несколько раз больше воды, чем в Мировом океане. Но эта вода распределена по огромной толще планеты, так что средний кубометр мантийного вещества довольно «сухой». Добавка, принесенная утонувшей плитой, может многое изменить. Насыщенные водой минералы становятся легче окружающего вещества и всплывают на поверхность. Это похоже на плюм, но здесь причина восходящего потока — не тепло из нижней мантии, а вода из переходной зоны. Дальше все происходит по знакомой схеме: «всплывшие» породы плавятся у поверхности, образуя магму.

Чтобы проверить эту остроумную схему, ученые взяли данные о движении тектонических плит за последние 400 млн лет и о «внутриплитных» извержениях на материках за последние 250 млн лет. Есть множество следов древних подводных извержений, но их возраст обычно неизвестен, поэтому авторы и ограничились континентами.

Оказалось, что 40–70% извержений посреди континентов можно объяснить выбросами воды из затонувших в мантии плит. Такие цифры получаются, если принять, что вода выделяется из плиты в течение 30-100 млн лет, а еще 10–30 млн лет уходит на то, чтобы «увлажненное» вещество достигло поверхности и образовало магму.

Конечно, разброс от 40% до 70% довольно велик. Модели процессов, происходящих в глубинах Земли, вообще не отличаются особой точностью. Это неизбежно, ведь никто никогда воочию не видел ни мантии, ни утонувшей в ней тектонической плиты. Ученым приходится опираться на разрозненные и скудные данные о земных недрах, которые можно добыть на поверхности. Но с каждым новым исследованием мы узнаем больше об удивительных вещах, происходящих прямо у нас под ногами.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора