К Нью-Йорку ползет 400-километровая зона плавящейся мантии: геологи объяснили происхождение горячей зоны под США

Глубоко под северо-восточной частью Соединенных Штатов Америки, в районе Новой Англии, располагается крупная геологическая структура, известная как Северо-Аппалачская аномалия. Современная геофизика позволяет исследовать недра планеты с помощью сейсмической томографии — метода, основанного на измерении скорости прохождения сейсмических волн от землетрясений сквозь различные слои Земли. Проходя через данную область на глубине около 200 километров, поперечные сейсмические волны замедляются на величину до четырех процентов. Для специалистов это означает наличие зоны астеносферы с повышенной температурой и присутствием процессов частичного плавления пород.

По оценкам исследователей, диаметр этой зоны составляет от 350 до 400 километров. Температура горных пород здесь превышает фоновые значения мантии примерно на 100-150 градусов Цельсия. Присутствие такого масштабного источника тепла под стабильным континентальным массивом вызывает серьезные научные вопросы, поскольку геологическая история восточного побережья Северной Америки не предполагает наличия здесь активных термических процессов в настоящем времени.

Долгое время основной теорией, объясняющей существование Северо-Аппалачской аномалии, была гипотеза краевой конвекции. Этот геофизический процесс возникает на стыке участков литосферы разной толщины — например, там, где мощная континентальная плита переходит в более тонкую океаническую. Из-за разницы температур и плотности более холодный материал на границе начинает погружаться вниз, а на его место из более глубоких слоев поднимается горячая масса. Возникает локальный контур теплообмена, который поддерживает высокую температуру под континентальной окраиной.

Однако эта теория противоречит хронологии тектонических событий. Восточное побережье США представляет собой так называемую пассивную континентальную окраину. Раскол единого суперконтинента и образование Центральной Атлантики в этом регионе произошли около 180 миллионов лет назад. С тех пор тектоническая активность на этой границе полностью прекратилась. Физические модели показывают, что спустя десятки миллионов лет после раскола температурный контраст между плитами сглаживается. Поддержание интенсивной краевой конвекции на границе, которая остывала почти двести миллионов лет, считается маловероятным.

Новое исследование, опубликованное группой ученых под руководством Томаса Гернона в научном издании Geology, предлагает иной механизм формирования данной структуры. Исследователи выдвинули гипотезу, согласно которой Северо-Аппалачская аномалия сформировалась не на своем текущем месте из-за локальных процессов, а переместилась под Новую Англию из другой географической зоны в результате длительного процесса мантийной миграции.

Фундаментом новой теории выступает физическое явление, известное как нестабильность Рэлея — Тейлора. В геологическом контексте этот процесс запускается во время раскола континентов (рифтогенеза). Нижняя часть континентальной литосферы имеет более низкую температуру и более высокую плотность по сравнению с подстилающей ее горячей астеносферой. При тектоническом растяжении континента этот плотный материал теряет стабильность и начинает погружаться вглубь пластичной мантии.

Процесс отслоения нижней части литосферы называется деламинацией. Когда плотный участок породы опускается, в образовавшееся пространство устремляется разогретый материал из астеносферы. Поднимаясь в зону с более низким давлением, этот материал подвергается адиабатическому плавлению, выделяя дополнительное тепло и локально истончая литосферу выше.

Главный вывод исследования заключается в том, что процесс деламинации не является единичным событием. Первоначальное отслоение литосферы у края тектонического разлома нарушает термодинамический баланс прилегающих участков плиты. Это провоцирует следующее отслоение чуть дальше вглубь континента, затем следующее. Возникает последовательная цепь мантийных нестабильностей, которая со временем смещается в горизонтальном направлении, удаляясь от изначальной зоны раскола.

Чтобы подтвердить гипотезу миграции, ученые проанализировали тектоническую историю более северного региона — Лабрадорского моря, разделяющего Канаду и Гренландию. Активная фаза растяжения коры и последующий раскол континентов происходили там около 80-90 миллионов лет назад. Исследователи измерили точное расстояние от границы континентального шельфа Лабрадорского моря до центра Северо-Аппалачской аномалии. Дистанция составила от 1830 до 1880 километров.

Используя данные геодинамического моделирования, ученые установили, что скорость распространения цепной деламинации вдоль нижней границы литосферы зависит от вязкости пород и энергии активации. Ожидаемая скорость миграции составляет примерно 20 километров за один миллион лет. Для проверки надежности этих расчетов был применен метод статистического моделирования Монте-Карло, включивший 10 000 симуляций с различными переменными расстояния и скорости.

Результаты вычислений показали, что процесс, породивший Северо-Аппалачскую аномалию, должен был начаться в промежутке от 91 до 94 миллионов лет назад. Этот временной интервал предельно точно совпадает с периодом ускорения рифтогенеза в Лабрадорском море, предшествовавшим окончательному отделению плит. Так что термическая зона под США является результатом тектонического процесса, зародившегося на севере Канады в меловом периоде.

Исходя из установленного вектора и скорости распространения нестабильности, процесс мантийной миграции продолжается и в настоящее время. Смещаясь в юго-западном направлении от своего текущего центра под штатом Нью-Гэмпшир, Северо-Аппалачская аномалия медленно движется в сторону штата и города Нью-Йорк. Хотя скорость этого продвижения составляет около двадцати километров за миллион лет и не провоцирует внезапных катаклизмов, в масштабах геологического времени смещение этой термальной зоны неизбежно приведет к изменению структуры недр под этим густонаселенным регионом. В долгосрочной перспективе прибытие аномалии спровоцирует постепенный нагрев нижней части литосферы и последующее изостатическое поднятие рельефа на новых территориях.

Данная модель объясняет наличие и других схожих геологических структур в регионе. Примерно в 650 километрах к югу от Северо-Аппалачской аномалии расположена Центрально-Аппалачская аномалия (CAA). Она имеет схожие сейсмические характеристики, но выражена несколько слабее. Применение той же математической модели к южной структуре показывает, что ее формирование могло начаться 120-135 миллионов лет назад. Это время соответствует самым ранним этапам формирования Лабрадорского рифта. Следовательно, Центрально-Аппалачская аномалия может представлять собой более ранний этап отслоения литосферы, который успел продвинуться на большее расстояние на юг.

Кроме того, сейсмические данные фиксируют наличие еще одной зоны с аномально низкими скоростями распространения волн строго на север от зоны Лабрадорского разлома — под центральной частью Гренландии. Географическое положение и характеристики Гренландской аномалии позволяют предположить, что она образовалась около 80 миллионов лет назад в результате того же самого процесса раскола, но нестабильность в данном случае начала распространяться в противоположном направлении — на север, под Гренландский щит.

Присутствие этих мигрирующих тепловых зон оказывает прямое влияние на топографию континента. Истончение литосферы и подъем горячего мантийного материала создают эффект изостатического поднятия. Ученые связывают наличие Северо-Аппалачской аномалии с зафиксированным геологическими методами процессом кайнозойского поднятия рельефа в районе горной системы Аппалачей. Термическое воздействие снизу буквально выталкивает земную кору вверх, компенсируя процессы поверхностной эрозии.

Результаты этого исследования вносят существенные коррективы в понимание долгосрочных последствий тектоники плит. Всегда считалось, что термические эффекты континентального рифтогенеза остаются локализованными вдоль образовавшихся границ плит и постепенно угасают по мере охлаждения земной коры. Новая модель доказывает, что процессы в верхней мантии могут обладать собственной горизонтальной динамикой, независимой от движения поверхностных плит. Тектонический разрыв способен инициировать глубокие структурные изменения, которые сохраняются в мантии более ста миллионов лет, перемещаются на тысячи километров вглубь стабильных континентов и продолжают формировать рельеф планеты в наши дни.

Источник: Geology