Вулканічна система Єллоустона могла сформуватися в результаті субдукції

Ріс. 1. Збільшення віку палеокальдер вулканічної системи Єллоустон (у млн років) у напрямку з північного сходу на південний захід. Тонкі чорні лінії позначають межі штатів, темно-червоні лінії — кордони великих геологічних структур. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

До Йеллоустонського вулкану в Північній Америці традиційно прикута підвищена увага. Пов’язано це з тим, що його активізація неминуче призведе до руйнівних наслідків глобального масштабу. Точність прогнозу можливого виверження цього супервулкану багато в чому залежить від правильної інтерпретації механізму формування всієї Єллоустонської вулканічної системи. Якщо раніше загальновизнаною вважалася лише так звана «плюсова» теорія її виникнення, то зараз з’явилися дані на користь альтернативної «плитної» гіпотези.

Вулкан Єллоустон — мабуть, найвідоміший із супервулканів. Хоча вже кілька десятків тисяч років він відносно спокійний, активізуватися він може в будь-який момент, оскільки під ним знаходиться активне магматичне вогнище (див. новину Термомеханічне моделювання допомогло пояснити формування магматичної системи Єллоустонського супервулкана, «Елементи», 04.05.2018). Його виверження може мати катастрофічні наслідки для всього північноамериканського континенту і на довгі роки змінити клімат на планеті.

Існує як мінімум дві гіпотези виникнення магматичної системи Єллоустонського вулкана. Домінуючою є так звана теорія плюмів, відповідно до якої гарячі точки, до яких прихильники цієї теорії відносять і Єллоустон, виникають над плюмами — мантійними потоками, що йдуть від ядра Землі. Згідно з цією теорією, мантійний плюм протягом тривалого часу зберігає стаціонарне положення, а літосферна плита, що переміщається над ним, ніби «пропалюється» дуже гарячою речовиною плюма. Так утворюються ланцюжки вулканів, в яких кожен наступний кратер молодший попереднього. Класичним прикладом такої системи є Гавайський архіпелаг. Для вулканічної системи Єллоустона також характерне поступове збільшення віку палеовулканічних кальдер в напрямку від сучасного місця розташування кальдери до південно-заходу (рис. 1).

Але є й інша гіпотеза, що пояснює появу подібної закономірності: океанічна плита, що занурюється під північноамериканський континент, в міру її опускання в мантію переплавлялася, а утворюваний розплав піднімався вгору, підживлюючи магматичне вогнище Йеллоустона. Процес плавлення почався 16,5 млн років тому. До цього періоду відноситься формування найдавнішої кальдери, розташованої на сьогоднішній день на кордоні штатів Невада, Орегон і Айдахо. Потім, у міру опускання літосферної плити в мантію, осередок магмоосвіти зміщувався в північно-східному напрямку.

Результати досліджень професора Чжоу Ін (Ying Zhou) з Політехнічного університету Вірджинії, опубліковані в журналі Nature Geoscience, свідчать більше на користь «плитної» гіпотези. Для аналізу Чжоу Ін використовувала дані глибинного сейсмічного зондування, виконаного в рамках проекту USArray — однієї з трьох складових частин глобальної наукової програми Earthscope, що використовує геологічні та геофізичні методи для вивчення структури та еволюції північноамериканського континенту, розуміння природи вулканізму і прогнозу землетрусів в межах цього регіону.

Чжоу Ін застосувала сейсмічну дифракційну томографію (див. Seismic tomography і Сейсморозвідка) — сучасний геофізичний метод, при якому аналізується просторове поширення розсіяних сейсмічних хвиль від вибухів, землетрусів тощо. з метою виявлення різких внутрішніх неоднорідностей будови Землі. За допомогою цього методу Земля просвічується за аналогією з рентгенівською томографією, що застосовується в медицині. Специфіка підходу, який був вперше застосований автором дослідження і ніколи раніше не використовувався, полягала в тому, що на основі даних зондування були побудовані візуальні зображення, аналогічні рентгенівським. На цих «знімках» чітко проявляються відносно невеликі глибинні структури, які неможливо побачити за допомогою традиційних методів.

Незважаючи на те що модель мантійного плюму успішно пояснює тренд зміни віку вулканічного сліду на поверхні Землі, вона не знайшла свого підтвердження на «рентгенівських знімках», отриманих в результаті комп’ютерної візуалізації сейсмічних даних. Зокрема, замість вузької «теплої» аномалії, що фіксується у вигляді області уповільнення сейсмічних хвиль і йде вертикально на глибину безпосередньо під зоною сучасної Єллоустонської кальдери, яка мала б місце в разі класичного мантійного плюму, в зоні перехідної мантії (область, що розділяє верхню і нижню мантію) в інтервалі глибин 400-640 км, прямо під ланцюжком кальдер Єллоустонського вулкана, була виявлена похила глибинна «холодна» аномальна структура (область підвищених швидкостей сейсмічних хвиль), що чітко збігається з лінією розташування палеокальдер (рис. 2).

Ріс. 2. Неоднорідності топографії (рельєфу) нижньої (a, глибина 660 км) і верхньої (b, глибина 410 км) поверхонь перехідної зони мантії під північно-західною частиною США за даними сейсмічної дифракційної томографії. Відтінками синього і жовтого показано відхилення поверхні від базового рівня (показаного сірим); зауважте, що колірні шкали відхилень на зображеннях a і b спрямовані в різні боки. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

Аналіз отриманих «знімків» дозволив автору припустити, що виверження Єллоустонського супервулкана були викликані процесами, пов’язаними з зануренням під північноамериканський континент стародавньої океанічної плити Фараллон — гігантської зниклої вже плити, яка почала занурюватися 30 млн років тому, а сьогодні про її колишнє існування свідчать лише ділянки неоднорідності в мантії, для яких характерні підвищені швидкості проходження сейчаних.

За допомогою комп’ютерного моделювання була створена об’ємна модель неоднорідності мантії, що фіксує положення залишків плити Фараллон (рис. 3).

Ріс. 3. 3D-модель неоднорідності проходження сейсмічних хвиль під територією західних штатів США на глибинах від 50 до 1600 км. Сіра площина проведена на глибині 660 км (нижня межа перехідної мантії. Частина неоднорідностей у верхніх шарах мантії на малюнку не показана. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

На цій моделі видно, що в перехідній зоні мантії плита, що занурюється, розташовується майже горизонтально, а нижче відбувається зміна напрямку її занурення на протилежне (якщо у верхній мантії плита занурюється із заходу на схід, то в нижній — зі сходу на захід). Це явище називається зворотною субдукцією. Подібна картина могла виникнути в тому випадку, якщо плита розкололася (порушення цілісності могло статися при активізації проходить тут глибинного розлому), фрагмент опустився нижче і почав занурюватися в зворотний бік. І тоді механізм виникнення магматичного вогнища під Єллоустоном такий: передня частина фрагмента, що відкололася, яка пішла зовсім глибоко в мантію, там переплавляється, а утворювані розплави піднімаються вгору, захоплювані потоками висхідної мантійної речовини, що спрямувалися в область розриву (рис. 4). Все це призвело до утворення в мантії магматичних вогнищ і початку 16,5 млн років тому масових вивержень над ділянкою зворотної субдукції.

Ріс. 4. Схема, що ілюструє розрив плити Фараллон з виникненням ділянки зворотної субдукції (Reversed subduction). Дві горизонтальні зелені лінії показують верхню і нижню межі перехідної зони мантії. Речовина нижнього кінця фрагмента плити, що розплавляється, піднімається до земної кори і підживлює магматичні осередки під Єллоустоном. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

Цей механізм, на відміну від «плюмового», добре узгоджується з положенням старих кальдер на поверхні. З одного боку, у міру розплавлення фрагмента плити Фараллон і його триваючого занурення в мантію «гаряча зона» повинна зміщуватися на схід. З іншого боку, Північноамериканська плита над цим фрагментом рухається на захід. Зараз її швидкість становить 1-2 см на рік (що збігається зі швидкістю спредингу в Срединно-Атлантичному хребті). Логічно припустити, що і в часи утворення перших кальдер Єллоустона швидкість була такою ж. При такому зустрічному русі «гарячої зони» в мантії і плити кальдери на поверхні будуть швидше зміщуватися в східному напрямку, ніж при одному тільки русі плити (а саме так повинно бути при «плюмовому» механізмі). Простий підрахунок показує, що середня швидкість «переміщення» кальдер по земній поверхні становить близько 4 см на рік, що набагато більше, ніж швидкість Північноамериканської плити.

Наступним кроком Чжоу Ін передбачає збільшити дозволяючу здатність отриманих «знімків», що дозволить за допомогою комп’ютерного моделювання відтворити процес дроблення гігантської океанічної плити і розглянути різні сценарії плавлення її порід з утворенням під Йеллоустоном магматичного вогнища. Але незалежно від того, яку гіпотезу утворення магматичної системи Єллоустоуна прийняти за основу — «плюмову» або «плитну», — факт залишається фактом: під супервулканом знаходиться активне магматичне вогнище, а питання прогнозу нових вивержень залишається завданням оперативних спостережень в регіоні, оскільки існуючі моделі поки не дозволяють прогнозувати прийдешні виверження.

Джерело: Ying Zhou. Anomalous mantle transition zone beneath the Yellowstone hotspot track // Nature Geoscience. 2018. DOI: 10.1038/s41561-018-0126-4.

Владислав Стрекопитов