Наша планета постоянно испускает тепло, в том числе из ядра. Часть этого тепла поднимается вверх к поверхности, но его доля в общем тепловом потоке незначительна. По крайней мере, так считали геологи до недавнего времени. Теперь же ученые нашли под участком суши в Омане «скрытый» мантийный плюм — столб раскаленной породы, исходящий из нижней мантии без видимой вулканической активности на поверхности. Это может означать, что ядро Земли выделяет гораздо больше тепла, чем считалось ранее.
В центре Земли находится железо-никелевое ядро, состоящее из двух частей: внутреннего твердого и внешнего жидкого. Оно очень горячее из-за остаточного тепла, которое появилось при формировании нашей планеты и радиоактивного распада. Это тепло постоянно передается вверх, в нижние слои мантии, которые находятся прямо над ядром. Иногда там накапливаются горячие и менее плотные участки горных пород, образующие мантийный материал. Под давлением эти «легкие» и горячие кусочки мантии медленно «отрываются» от окружающей оболочки и поднимаются вверх к литосфере — внешней твердой оболочке Земли.
Это и есть мантийный плюм, который «запускается» из-за тепла ядра. Говоря проще, он своего рода канал, по которому передается тепловая энергия от границы ядра и мантии к поверхности.
Когда этот столб раскаленного мантийного материала достигает области с меньшим давлением, которая находится под земной корой, происходит так называемое декомпрессионное плавление. В результате поднимающаяся порода оказывается «сверхтекучей». Под воздействием высоких температур начинается ее плавление. Образуется магма, которая менее плотная, чем окружающий твердый материал. Она собирается в магматические камеры и при возникновении разлома в коре выходит наружу в виде лавы и пирокластического потока, что приводит к вулканизму.
Ранее мантийные плюмы находили только в районах, где есть вулканическая активность. Например, под Восточно-Африканской рифтовой долиной и Йеллоустоуном в США. Считалось, что эти два фактора неразрывно связаны друг с другом.
Теперь же международная команда геологов под руководством Симоне Пилия (Simone Pilia) из Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда в Саудовской Аравии обнаружила скрытый мантийный плюм в недрах Земли без признаков вулканизма. Открытие сделали на территории Омана. Выводы исследователей, изложенные в журнале Earth and Planetary Science Letters, могут изменить представление о том, как устроено тепловое движение в мантии и сколько тепла на самом деле выделяется из ядра Земли.
Пилия и его коллеги заподозрили наличие такого плюма после анализа сейсмических данных, собранных в восточной части Омана. Ученые заметили, что скорость сейсмических волн от далеких землетрясений необъяснимо замедлялась при прохождении через определенные участки мантии. Известно, что твердые и холодные породы пропускают волны быстрее, чем горячее и более пластичные. То есть геологи поняли, что породы под поверхностью там явно были менее плотные, а температура выше обычной. Иными словами, эта область, где волны теряли скорость, скорее всего, горячее окружающего материала.
Дополнительные измерения подтвердили предположение ученых. Геологи изучили фазовые переходы в минералах, когда под сильным давлением и высокими температурами кристаллическая структура породы меняется. Такие фазовые изменения могут происходить как раз под действием горячего плюма. Их зафиксировали на нетипичной глубине более чем 660 километров, что указало на аномальный нагрев снизу. При этом на территории Омана нет действующих вулканов, что делает находку команды ученых уникальной.
Пилия назвал подземную структуру «Дани» — в честь своего сына. Он полагает, что это первый известный «призрачный плюм» в истории геологии, который не доходит до поверхности, а остается «запертым» в мантии. По мнению ученого, плюм не доходит до поверхности, поскольку сверху его жар сдерживает толстый слой горных пород.
Сейсмическая активность и фазовые переходы в минералах — не единственные причины в пользу существования скрытого плюма. Геологи заметили, что регион Омана продолжает необъяснимо медленно подниматься, хотя силы, которые когда-то сжимали земную кору в этом районе, давно исчезли. Плюм может быть тем внутренним механизмом, который все еще толкает поверхность вверх.
Кроме того, компьютерное моделирование показало, что именно такая структура могла вызвать геологический сдвиг в движении Индийской тектонической плиты. Скорее всего, «скрытый» плюм мог изменить путь, по которому двигалась Индийская плита. Из-за жара в мантии она могла повернуть или начать двигаться медленнее, чем раньше.
Если гипотеза команды Пилии верна, то плюм «Дани» не единственный. В мантии могут скрываться и другие «призрачные» потоки жара, которые не оставляют следов на поверхности.
Сегодня геологи предполагают, что тепло от ядра передается двумя способами: через медленную конвекцию в мантии и через мантийные плюмы, связанные с вулканической активностью. Но если под землей находятся десятки или сотни скрытых структур вроде «Дани», это означает, что больше тепла из ядра поднимается вверх именно через «горячие каналы». В таком случае придется пересмотреть все устоявшиеся мнения о тепловом обмене внутри планеты, который, в свою очередь, определяет движения тектонических плит и долгосрочную эволюцию Земли.