Свідчення мантійного шлейфу під центральним масивом Франції сейсмічним зондуванням - спектром
Свідчення мантійного шлейфу під центральним масивом Франції шляхом сейсмічного зондування
Французький центральний масив належить до великого європейського вулканічного поясу, що простягається на північ від Альпійської дуги від Франції через Німеччину (Ейфель) до Польщі та Чехії (Егерграбен). Для нього характерні відносно примітивні магми, тобто майже не змінюються під час підйому, які багаті лужними металами і бідні кремнеземом; вони дуже схожі на океанічний базальт, що виникає на вулканічних островах, таких як Гаваї чи Ісландія. Походження цих лужних розплавів раніше не було відомо.
Навпаки, вік вулканізму в Центральному масиві дуже добре визначається датуванням радіоактивного ізотопу калію-40 та продукту його розпаду аргону-40, а також методом радіовуглецю. Відповідно, основна діяльність була в Третинному (65 - 2 мільйони років до теперішнього часу). Це завершилося утворенням двох стратовулканів: Канталь 11 - 2,5 мільйона років тому та Мон Дор 4 - 0,3 мільйона років тому. Останні виверження в районі Chaine des Puys були лише близько 4000 років тому.
На півночі Центральний масив закінчується рифтовою системою Лімань-Форез, яка, в свою чергу, датується оліго та міоцену (від 38 до 7 мільйонів років тому). Тут теж був ізольований місцевий вулканізм.
У ході великого сейсмічного польового експерименту ми досліджували підземну поверхню масиву масиву з осені 1991 р. До весни 1992 р., Щоб дізнатись більше про походження вулканізму. Для експерименту ми встановили 80 мобільних цифрових сейсмічних реєстраторів на додаток до 20 станцій постійної сейсмічної мережі в Оверні. Вони були розподілені таким чином, що максимально рівномірно охопили найважливіші вулканічні центри Центрального масиву та Ліманського рифта (рис. 1). В середньому вони були настільки щільними, що споруди довжиною краю близько 15 кілометрів все ще могли бути вирішені в центрі мережі. З іншого боку, загальне розширення мережі у 425 кілометрів на сході-заході та 300 кілометрів у напрямку північ-південь дало змогу скласти картину підземної глибини на глибині 270 кілометрів.
Вимірювали час транзиту поздовжніх хвиль сейсмічного тиску - коротко званих P-хвилями - на шляху від місця їх походження, тобто гіпоцентра відповідного землетрусу, до різних вимірювальних станцій. На основі відмінностей між спостережуваними та теоретичними значеннями метод математичної інверсії може бути використаний для розрахунку варіації сейсмічних швидкостей у досліджуваному тілі гірської породи.
На рисунку 2 показана томограма, отримана таким чином у вигляді тривимірної блок-схеми з вирізаним південно-східним кутом. Найпомітніша структура - це область зниженої швидкості P-хвилі (показана червоним кольором), яка простягається від дна блоку до поверхні і має в основі приблизно 200 кілометрів. Значення в центрі цієї аномалії на 2–2,5 відсотка нижчі, ніж в околицях.
Томограма показує прямий просторовий зв’язок між зонами зменшених швидкостей зубця Р та вулканами Канталь та Мон-Дор на поверхні. З іншого боку - на відміну від Східноафриканської рифтової долини, наприклад - жодні особливо виражені структури не можуть бути пов’язані з південним кінцем Ліманського рифта. Зона низької швидкості чітко розмежована в напрямку східних передгір’їв Центрального масиву.
Як ці результати слід інтерпретувати геодинамічно? При добрих 2 відсотках зменшення швидкості P-хвилі занадто мало, щоб спричиняти великі частки розплавленого матеріалу в підземній поверхні. За цих обставин це найкраще можна пояснити підвищенням температури на 150-200 градусів Цельсія порівняно з навколишньою мантією; оскільки чим тепліша гірська маса, тим повільніше поширюються в ній землетрусні хвилі. Якщо також врахувати, що вулканізм за останні два мільйони років був обмежений кількома вузько визначеними районами в районі Центрального масиву, можна інтерпретувати аномалії швидкості як залишковий слід теплового сигналу, який поступово занепадає; пов'язана з нею магматична активність досягла свого піку в міоцені в пліоцені (25-2 млн. років тому).
На основі різних старих геофізичних та петрологічних досліджень, зокрема Френсіс Луказо та Роджер Байєр з Центру геології та геофізики в Монпельє, ще в 1982 році постулювали, що астеносфера (в'язкий мантійний шар під жорсткою літосферою, що утворює зовнішню оболонку землі) під центральним масивом випинання вгору. Наші томографічні результати підтверджують цю гіпотезу про астеносферний діапір. У той же час вони визначають просторову протяжність, форму та амплітуду аномалії аж до більшої глибини.
Геохімічні висновки, які нещодавно отримали одна з нас (Марджорі Вілсон) та Хіларі Даунз з коледжу Біркбек у Лондоні, отримані за зразками різних вулканічних регіонів Західної та Центральної Європи; Досліджено вміст мікроелементів та основних елементів, а також співвідношення різних ізотопів стронцію, неодиму та свинцю.
Породи постійно затвердівали з малодиференційованих, тобто майже незмінних магм. Його геохімічний підпис вказував, що джерелом є суміш літосферного та астеносферного мантійного матеріалу, з літосферним компонентом, за деякими винятками, лише невеликою часткою.
Особливо примітно, що хоча цей компонент змінюється за своїм складом залежно від фундаментного блоку, з якого він походить, астеносферна частина завжди майже однакова незалежно від географічного розташування. Це говорить про спільне походження.
З усього цього ми робимо висновок, що під Центральним масивом є так званий шлейф, грибоподібний потік гірського матеріалу з глибших мантійних областей, подібний до того, який, наприклад, створив гавайський острівний ланцюг, поки тихоокеанська плита дрейфувала над ним. Однак він, безумовно, набагато менший за гавайський і вже не діє: вулканізм, що виходить від нього, значно зменшився з часів міоцен-пліоцену і зараз практично вимер.
На відміну від цього, зокрема, геохімічні висновки вказують на те, що це не ізольоване явище. Швидше за все, астеносферний діпір під Центральним масивом, швидше за все, належить до розгалуженої системи малих мантійних плюмів, що спричинило поширений третинно-четвертинний вулканізм у Європі. Інші такі колишні гриби магми повинні знаходитись, наприклад, під Ейфелевим та Чеським лісами.
Але звідки ці шлейфи? Їх помірні розміри та відносно невелика різниця температур до навколишнього середовища вказують на місце походження, яке не надто глибоке. Це може бути межа між верхньою і нижньою мантією на глибині 670 кілометрів. Однак можна також подумати, що західні та центральні європейські шлейфи походять від теплової нестабільності на глибині лише близько 400 кілометрів, при якій кристалічна структура деяких мінералів у земній мантії змінюється внаслідок зростаючого тиску.
У цьому випадку альпідне зіткнення могло б виступити пусковим механізмом, запустивши своєрідну тектонічну хвилю у вигляді надзвичайно повільно поширюваної зміни у співвідношенні тиск-натяг, що поширюється вниз через літосферний корінь. Якби воно потрапило на розрив на глибині 400 кілометрів, це могло б спричинити несправність, внаслідок чого матеріал кожуха відокремлюється і тече вгору.
Наразі ці міркування повинні залишатися здогадами, оскільки наявні дані не дають чіткої сейсмічної інформації. Для того, щоб мати можливість кількісно заявляти про цей діапазон глибин, потрібно було б встановити високоякісні вимірювальні прилади в ще щільнішій і ширшій мережі в рамках більш масштабного експерименту.