Μεγάλες Πυριγενείς Επαρχίες – Tuzo & Jason – Θερμές Κηλίδες (Ενημερωτική προσέγγιση)

Μεγάλες Πυριγενείς Επαρχίες – Tuzo & Jason – Θερμές Κηλίδες

(Ενημερωτική προσέγγιση)

Το μοντέλο

Οι Burke & Torsvik (2004) παρουσίασαν για πρώτη φορά ένα μοντέλο αναπαράστασης των Μεγάλων Πυριγενών Επαρχιών (Large Igneous Provinces LIP) των τελευταίων 200 Ma, οι οποίες υπέρκειται των περιφερειακών άκρων δύο ισημερινών αντιπόδων Επαρχιών Μεγάλης Ταχύτητας Χαμηλής διάτμησης (εγκάρσια S) Κυμάτων (Large Low Shear-wave Velocity Provinces LLSVP). Οι επαρχίες αυτές (αναφέρονται και ως blobs) εντοπίζονται: κάτω από την Αφρική η Tuzo και κάτω από τον Ειρηνικό η Jason, στα 2800χλμ., στο όριο μανδύα πυρήνα (Core Mantle Boundary CMB).

Χρησιμοποίησαν παλαιομαγνητικά δεδομένα για την αναπαράσταση –ανασύσταση των  ηπείρων μαζί με τις περιεχόμενες σ’ αυτές LIPs, τα οποία συγκρίναν με σεισμικές τομογραφίες στο επίπεδο του CMB. Προέκυψε ότι αφενός οι αναδομημένες LIPs αναγνωριστήκαν μέχρι τα 200 Ma και αφετέρου ότι έχουν σαφή συσχέτιση με τους πίδακες από τους οποίους προέρχονται. Δεδομένου ότι οι εν λόγω πίδακες συνδέονται με τα περιφερειακά άκρα των LLSVPs, τις θεώρησαν ότι είναι σταθερές τουλάχιστον για 200 Ma, με στόχο να καθορίσουν σημεία αναφοράς για την ανάκτηση της εξέλιξης της μορφής που είχε ο πλανήτης από το Άνω Προκάμβριο. Καθορίζουν, ακόμη, Ζώνες Δημιουργίας Πιδάκων (Plume Generation Zones - PGZ) οι οποίες βρίσκονται περιφερειακά των LLSVPs και είναι οι δίοδοι δημιουργίας (εκρηκτικά) των LIPs, θερμών κηλίδων και κιμπερλίτων.

Επεξήγηση

Οι LIPs (Σχήμα 1) είναι αποτέλεσμα τοπικής καταστρεπτικής γρήγορης διασποράς μεγάλων ποσοτήτων εσωτερικής θερμότητας, ουσιαστικά βασαλτικής προέλευσης, από μερική τήξη μανδυακού υλικού. Είναι περιοχές ιδιαίτερα μεγάλου όγκου (1·10⁶ km³) και δημιουργήθηκαν σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα (ένα έως μερικά Ma).

Αν και είναι αμφιλεγόμενη η προέλευση των πετρωμάτων από μεγάλα βάθη, κατά την αναδόμηση 25 LIPs το 90% αυτών είχαν δημιουργηθεί πάνω από περιοχές χαμηλής ταχύτητας σεισμικών εγκαρσίων κυμάτων της D″ ζώνης (βλέπε ανάρτηση «Η δομή της Γης») ακριβώς πάνω από το CMB. Πάντως ως βασικό κριτήριο ταυτοποίησης των LIPs (Herzberg, 2011) προτάθηκε ότι η έκρηξή των έγινε σε σχετικές υψηλές θερμοκρασίες και ως επιπλέον κριτήριο θεωρήθηκε η “υπογραφή” ευγενών αερίων προερχόμενων από τη διάχυση των καυτών βασαλτών των LIPs. 

Ο Tuzo Wilson του πανεπιστημίου του Τορόντο προτείνει, το 1963, ότι οι γραμμικές αλυσίδες των υπογείων οροσειρών και ηφαιστείων, που παρουσιάζουν μια ηλικιακή εξέλιξη, οφείλονται σε σχετικά μικρές περιοχές τήξης του μανδύα, που ονόμασε Θερμές Κηλίδες (Hotspots).

Ο Jason Morgan προτείνει, το 1971, ότι οι θερμές κηλίδες προέρχονται από μανδυακούς πίδακες δηλ. ανερχόμενα μανδυακά αναβρύσματα του κατώτερου μανδύα και καθόρισε το πρώτο πλαίσιο αναφοράς των θερμών κηλίδων.

Τα επιφανειακά ίχνη τους είναι μακριές, στενές διαχρονικές ηφαιστειακές αλυσίδες, από τις οποίες συμπεραίνουμε ότι η λιθόσφαιρα κινείται πάνω από αυτές τις περιορισμένου χώρου και υποθετικά σταθερές πηγές. Αυτές μεταφέρουν μάγμα πιδάκων (plumes) σε διαπειρικές στήλες από το όριο μανδύα πυρήνα λόγω της θερμικής πλευστότητας* (buoyancy).

(*η διαφορά της πυκνότητας ενός υγρού ή «πακέτου» υγρών από την πυκνότατα του περιβάλλοντος αυτών υγρού:).

Οι θερμές κηλίδες είναι ανεξάρτητες και συνήθως απόμακρες από τα περιθώρια των λιθοσφαιρικών πλακών αν και είναι ένα σημαντικό στοιχείο της ανάδυσης του μανδύα. Μερικές βρίσκονται στο τέλος των ηφαιστειακών αλυσίδων και συνδέονται με LIPs (Σχήμα 2), όπως οι Tristan (Panama – Etendeka) Reunion (Deccan). Η θερμή κηλίδα της Χαβάης πρέπει επίσης να συνδέεται σε μια LIP η οποία τώρα έχει υποβυθιστεί.

 Σχήμα 2: Θερμές κηλίδες ((Steinberger 2000) σχεδιασμένες με μοντέλο ανωμαλιών των εγκαρσίων ταχυτήτων για 2800 χλμ. των Becker & Boschi (2002).Οι μπλε περιοχές δείχνουν υψηλή ταχύτητα ενώ οι κόκκινες χαμηλή. Τα ονόματα στο παρακάτω πίνακα.

Σύμβολο	Όνομα	Ηλικία
AF	East Africa	40
AU	East Australia	50
AZ	Azores (Pico)	100
BI	Balleny (Buckle Island)	36
BO	Bowie	28
CA	Caroline	80
CM	Comores (Karthala)	63
CO	Cobb (Axial Smt.)	43
CR	Cameroon	31
CV	Cape Verde	20
CY	Canary	65
DF	Darfur	140
EI	Easter Islands	68
EL	Eifel	40
FD	Fernando	70
GA	Galapagos	85
GL	Guadelupe	25
HG	Hoggar	20
HI	Hawaii (Kilauea)	100
IL	Iceland	60
JF	Juan Fernandez	30
JM	Jan Mayen (Beerenberg)	210
KG	Kerguelen	117
LH	Lord Howe	50
LV	Louisville	120
MD	Macdonald (Smt.)	120
MI	Marion Island	195
MQ	Marquesas	9
MT	Meteor	120
NE	New England	120
PC	Pitcairn	8
RT	Raton	20
RU	Reunion	67
SF	San Felix	30
SH	St Helena	100
SI	Socorro Island	25
SM	Samoa	14
TB	Tibesti	80
TD	Trindade	120
TH	Tahiti (Mehetia)	5
TM	Tasmanid	50
TT	Tristan	125
VM	Vema	40
YS	Yellowstone	15

Ο Burke (2004) παρατήρησε ότι οι περισσότερες LIPs, όταν δημιουργήθηκαν βρίσκονταν κοντά στην ακτινική προβολή της επιφάνειας των περιθωρίων των LLSVPs της D″ ζώνης ακριβώς πάνω από το CMB.

Καθόρισε ότι οι δύο ισημερινές και αντίποδες περιοχές ως τις πλέον πιθανές πηγές των μανδυακών πιδάκων που δημιουργούν LIPs, τις οποίες αρχικά ονόμασε υπο-Αφρικανική και υπο-Ειρηνική και αργότερα ως LLSVP δίνοντας τα ονόματα των Tuzo και Jason αντίστοιχα. Ακόμη εντοπίστηκε, κάτω από τη Σιβηρία, μία μικρότερη με το όνομα Perm (εναλλακτικά μπορεί να είναι και τμήμα της Tuzo) πάνω στην οποία βρίσκεται η LIP Siberian Traps.

Το κρίσιμο σημείο του μοντέλου είναι ότι οι Tuzo και Jason παραμένουν σταθερές στη σημερινή τους θέση από την έκρηξη της Κεντρικής Ατλαντικής Πυριγενούς Επαρχίας (Central Atlantic Igneous Province) στο όριο Τριαδικού – Ιουρασικού.

Οι θέσεις των θερμών κηλίδων αντιστοιχούν κάθετα στα ίδια περιθώρια που καθορίζουν τις LLSVPs στο CMB. Πίδακες που δημιούργησαν τις LIPs καθώς και τις μεγάλες θερμές κηλίδες έχουν ανέλθει κατ' ευθείαν από το περίγραμμα των LLSVPs όπου καθορίζονται οι PGZs. Καθώς όλες οι περιοχές των LIPs είναι νεότερες από 300 Ma και βρίσκονται πάνω από τις LLSVPs ή/και τις LVSPs το περίγραμμα που καθορίζει τις PGM πρέπει να έχει παραμείνει στην ίσια θέση για τα τελευταία 300 Ma. Ακόμη θεωρούν ότι εφόσον δεν έχουν ανέλθει πίδακες από το εσωτερικό των LLSVPs ούτε και λιθοσφαιρικά τεμάχη έχουν διεισδύσει σ΄ αυτές τις περιοχές, τότε θα πρέπει να έχουν παραμείνει αμετάβλητες για το πιο πάνω χρονικό διάστημα. Επειδή οι LLSVPs καθορίζουν τη θετική ανύψωση του γεωειδούς (Σχήμα 4), αυτό αποτελεί ένδειξη ότι στη σημερινή τους θέση βρίσκονται τουλάχιστον τα τελευταία 300 Ma. Οι PGZs βρίσκονται σε περιοχές όπου τα περιθώρια:1) του εξωτερικού μανδύα, 2) μίας LLSVPs ή LVSPs και 3) του σεισμικά ταχύτερου τμήματος του μανδύα, συναντώνται. (Σχήμα 3).

Να σημειωθεί εδώ ότι με νεότερα παλαιομαγνητικά δεδομένα (Bono, Tarduno & Bunge -2019) προέκυψε ότι η κάμψη (60⁰) της οροσειράς Hawaiian – Emperor δεν ωφελείται στη κίνηση της λιθοσφαιρικής πλάκας αλλά στη κίνηση της θέρμης κηλίδας της Χαβάης. Απ’ αυτό υπέθεσαν ότι η LLSVP του Ειρηνικού δεν έχει παραμείνει σταθερή τα τελευταία 200Ma με αποτέλεσμα να υπάρχουν αποκλίσεις στη ανασύσταση των ηπείρων των Torsvik and Cocks (2017) και της διαδρομής των από το Πέρμιο, χωρίς όμως αυτό να μπορεί να επεκταθεί για άλλες θερμές κηλίδες. 

Αυτή η χωρική συσχέτιση (PGZ → LIPs/θερμών κηλίδων) συνεπάγεται ότι οι LLSVPs αντιπροσωπεύουν μακροχρόνιους, πυκνούς σταθερούς θερμοχημικούς σωρούς οι οποίοι πυροδοτούν στα περιθώριά τους πίδακες ασκώντας έτσι μια ισχυρή επίδραση στη δυναμική του κατώτερου μανδύα. Οι Davies et al. (2015) αναλύοντας αυτή τη χωρική συσχέτιση παρατήρησαν ότι δεν είναι ενιαία και για τις δύο LLSVP, καθώς η μεν Αφρικανική (Tuzo) παρουσιάζει ισχυρή συσχέτιση όχι όμως και η του Ειρηνικού. Στο σχήμα 3 διακρίνεται η “αυστηρή” κατανομή στη Tuzo των LIPs/θερμών κηλίδων (75% περίπου), περιφερειακά επί της PGZ, σε αντίθεση με τη Jason που φαίνεται πιο “χαλαρή”. Από αυτό κατέληξαν ότι η γεωγραφική κατανομή των θερμών κηλίδων και των LIPs δεν αποδεικνύει ότι οι χημικές ετερογένειες επηρεάζουν τη δυναμική του κατώτερου μανδύα.

Κιμπερλίτης είναι λατυποπαγές υπερβασικό πυριγενές πέτρωμα με πορφυροβλάστες ολιβίνη, ενσταντίτη, χρωμιούχο διοψίδιο, φλογοπίτη, πυρωπό αλμανδίνης (γρανάτες) και μαγνησιούχο ιλμενίτη εγκλεισμένοι σε λεπτόκοκκο σώμα σερπεντίνη, φλογοπίτη, ανθρακικά, περοβσκίτη και χλωρίτη σε διάφορες αναλογίες. Οι κιμπερλίτες περιλαμβάνουν άφθονους ξενόλιθους προερχόμενους από βαθύ μανδύα που περιέχουν ορυκτά υψηλής πίεσης. Βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια σε ομάδες σωληνοειδών σωμάτων που ονομάζονται διατρήματα (diatrema).

Η πλειονότητα των κιμπερλίτων δημιουργήθηκε πάνω από την LLSVP Tuzo και κυρίως στη Ναμίμπια, Ν. Αφρική, Τανζανία, Ινδία, ΗΠΑ και Καναδά. Της Βόρειας Aμερικής θεωρούνται «ανωμαλίες» καθώς οι εκρήξεις των έγιναν σε κρύες περιοχές του βαθύ μανδύα. Στη LLSVP του Ειρηνικού (Jason) δεν υπάρχουν κιμπερλίτες και βασικά οροιοθετούνται σε αρχαϊκές κρατονικές περιοχές. Όλοι οι γνωστοί είναι ηλικίας Ηώκαινου και παλαιότερα.

Σχήμα 5: Αναδόμηση των LIPs, θερμών κηλίδων και κιμπερλίτων για τα τελευταία 320Ma σε σχέση με ανωμαλίες ταχύτητας των εγκαρσίων κυμάτων (δVs%). Το σύνολο σχεδόν των κιμπερλίτων εντοπίζεται στη Tuzo με εξαίρεση 17% «ανωμαλίες» του Καναδά (λευκές κουκίδες).

LLSVPs

Τα δεδομένα (παλαιομαγνητικά, σεισμικές τομογραφίες) δεικνύουν αναμφίβολα την ύπαρξη των LLSVPs. Η προέλευσή τους και η δυναμική τους επίπτωση παραμένουν αινιγματικές, κυριαρχούν όμως στη δομή του κατώτερου μανδύα στο επίπεδο του CMB (Cottaar S& Lekic V. -2016) και έχουν συνδεθεί με την αναδόμηση των αρχικών θέσεων των LIPs, των θερμών κηλίδων και των κιμπερλίτων του Φανεροζωικού.

Σχετικά με τη προέλευση τους έχουν διατυπωθεί αρκετές υποθέσεις όπως: συσσώρευση βυθισμένου ωκεάνιου φλοιού, αρχέγονοι θερμοδυναμικοί σωροί οι οποίοι σχηματίστηκαν από διαχωρισμών πυκνών τηγμάτων, κατάλοιπα κρυσταλλοποίησης βασικών μαγμάτων ή συνδυασμός των ανωτέρω.

Πάντως η φύση και η προσέλευση των LLSVPs είναι θεμελιώδους σημασίας καθώς καθορίζουν τη θερμική, χημική και δυναμική εξέλιξη της Γης.

Β. Ανδρώνης

after: Cottaar S. and Lekic V. (2016)

Αναφορές

GIANT IMPACT ORIGIN FOR THE LARGE LOW SHEAR VELOCITY PROVINCES. Q. Yuan1* , M. M. Li1 , S. J. Desch1 and B. Ko1 , 1 Arizona State University, School of Earth and Space Exploration, PO Box 876004, Tempe, AZ85287-6004, USA. * qyuan23@asu.edu

https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2021/pdf/1980.pdf

https://www.sciencealert.com/vast-mysterious-fragments-of-an-alien-world-may-be-buried-within-earth-study-finds?fbclid=IwAR2njoBmYMq4ULzAut81Wo3hEv4izyEU1jG9oOX5O3qnPO7oXZSIgpSksHc

Becker T.W. & Boschi L., (2002): A comparison of tomographic and geodynamic mantle models. Geochem. Geophys. Geosys., 3, 2001GC000168.

Bono R. K., Tarduno John A. & Hans-Peter Bunge (2019): Hotspot motion caused the Hawaiian-Emperor Bend and LLSVPs are not fixed. https://doi.org/10.1038/s41467-019-11314-6

Burke K. and Torsvik T., (2004): Derivation of Large Igneous Provinces of the past 200 million years

from long-term heterogeneities in the deep mantle. Earth and Planetary Science Letters 227 (2004) 531– 538.

Burke K. Smethurst M.A Torsvik T. and Steinberger B.:(2008): Plume Generation Zones at the margins of Large Low Shear Velocity. Provinces on the core–mantle boundary. Earth and Planetary Science Letters 265 (2008) 49–60

Cottaar Sanne and Lekic Vedran (2016): Morphology of seismically slow lower-mantle structures. Geophys. J. Int. (2016) 207, 1122–1136 doi: 10.1093/gji/ggw324

D.R.Davies, S.Goes, M.Sambridge (2015): On the relationship between volcanic hotspot locations, the reconstructed eruption sites of large igneous provinces and deep mantle seismic structure. Earth and Planetary Science Letters 411 (2015) 121-130

Eldholm O. and Coffin M.F. (2000): Large igneous provinces and plate tectonics.: In Richards, M.A., Gordon, R.G. and van der Hilst, R.D.(eds.), The History and Dynamics of Global Plate Motions. American Geophysical Union, Washington, DC, pp. 309– 326.

Ernst R.E., Buchan K.L. and Campbell I.H. (2005). Frontiers in large igneous province research. Lithos, 79, 271–297.

French Scott W. & Romanowicz Barbara (2015): Broad plumes rooted at the base of the Earth's mantle beneath major hotspots Nature vol. 525, p.95–99(2015).

Heron Philip J.(2019): Mantle plumes and mantle dynamics in the Wilson cycle. Geological Society of London, doi: 10.1144/SP470-2018-97

Herzberg C. (2011). Basalts as temperature probes of Earth’s mantle. Geology, 39,1179–1180.

Lekic Vedran, Cottaar Sanne, Dziewonski Adam, Romanowicz Barbara (2012): Cluster analysis of global lower mantle tomography: A new class of structure and implications for chemical heterogeneity. Earth and Planetary Science Letters 357-358 (2012) 68-77.

Meschede Martin, Warr Laurence N. (2019): Plate Tectonics, the Unifying Theory. In “The Geology of Germany” Pages 25-31 Springer Nature Switzerland AG 2019 https://doi.org/10.1007/978-3-319-76102-2_5

Morgan W.J. (1971): Convection plumes in the lower mantle. Nature 230: 42–43.

Niu Yaoling (2018): Origin of the LLSVPs at the base of the mantle is a consequence of plate tectonics: A petrological and geochemical perspective. Geoscience Frontiers 9 1265-1278.

Schmidt Anja, Fristad Kirsten E, Elkins-Tanton Linda T. (2015): Volcanism and Global Environmental Change. Publisher: Cambridge University Press

Steinberger B., (2000): Plumes in a convecting mantle: Models and observations for individual hotspots. J. geophys. Res., 105, 11 127–11 152.

Steinberger B. & Holme R., (2008): Mantle flow models with core-mantle boundary constraints: Evidence for chemical heterogeneities in the lowermost mantle, Journal of Geophysical Research Atmospheres 113(B5) May 2008 doi: 10.1029/2007JB005080

Torsvik T.H., Steinberger B.(2012): A geodynamic model of plumes from the margins of Large Low Shear Velocity Provinces. AGU and Geochemical Society, Vol. 13, Nr 1,18 Jan.2012, doi:10.1029/2011GC003808

Torsvik Trond H and Cocks L. Robin M.(2017): Earth History and Palaeogeography. Cambridge University Press.

Torsvik T.H., Smethurst M.A., Burke K. and Steinberger B. (2006). Large igneous provinces generated from the margins of the large low velocity provinces in the deep mantle. Geophys. J. Int., 167, 1447–1460.

Torsvik T.H., Steinberger B., Cocks, L.R.M. and Burke, K. (2008). Longitude: linking Earth’s ancient surface to its deep interior. Earth Planet. Sci. Lett., 276, 273–282.

Torsvik T.H., Müller R.D., Van der Voo R., Steinberger B. and Gaina C. (2008). Global Plate Motion Frames: toward a unified model. Rev. Geophys., 46, RG3004, doi:10.1029/2007RG000227.

Torsvik T.H., Smethurst M.A., Burke K. and Steinberge B. (2008). Long term stability in deep mantle structure: evidence from the ca. 300 Ma Skagerrak-centered Large Igneous Province (the SCLIP). Earth Planet. Sci. Lett., 267, 444–452.

Torsvik T.H., Burke K., Steinberger B., Webb S.C. and Ashwal L.D. (2010). Diamonds sourced by plumes from the core mantle boundary. Nature, 466, 352–355.

Torsvik T., & Burke K. (2015): Large igneous province locations and their connections with the core–mantle boundary. In A. Schmidt, K. Fristad, & L. Elkins-Tanton (Eds.), Volcanism and Global Environmental Change (pp. 30-46). Cambridge University Press.

Wilson J.T. (1963): A possible origin of the Hawaiian Islands. Canadian Journal of Physics, 41: 863–870. https://doi.org/10.1139/p63-094.