Гавайська гаряча точка — гаряча точка, розташована біля однойменних Гавайських островів в північній частині Тихого океану.
Загальний опис
Одна з найбільш відомих і добре вивчених гарячих точок у світі, Гавайський плюм відповідальний за створення Гавайсько-Імператорського ланцюга підводних гір, ланцюга вулканів довжиною понад 5800 кілометрів, чотири з яких активні, дві — сплячі, а понад 123 з яких є згаслими, багато з них давно сховані під водою ерозією і перетворились у підводні гори і атоли. Ланцюг тягнеться від південної частини острова Гаваї до краю Алеутської западини поблизу східної околиці Росії. У той час як більшість вулканів створюються геологічною активністю на межі тектонічних плит, Гавайська точка знаходиться далеко від кордонів плити. Класична теорія гарячих точок, вперше запропонована 1963 року Джоном Туцо Вілсоном, припускає, що один фіксований мантійний плюм створює вулкани, які потім по мірі зсуву від їх джерела у результаті руху Тихоокеанської плити стають все менш активними і, в кінцевому рахунку еродують нижче рівня моря протягом мільйонів років. Відповідно до цієї теорії, вигин близько 60° між Імператорським та Гавайським сегментами ланцюга викликаний раптовою зміною в русі Тихоокеанської плити. 2003 року новіші дослідження цієї нерегулярности призвели до пропозиції теорії мобільної гарячої точки, яка припускає, що гарячі точки є мобільними, а не стаціонарними, а тому вигин, який утворився 47 мільйонів років тому був викликаний зміною у гарячій точці, а не плиті.
Стародавні гавайці були першими, хто помітив більший вік та ерозію вулканів на північніших островах, коли вони просувалися з риболовлею уздовж островів. Нестабільний стан Гавайських вулканів і їх постійна боротьба з морем стали основним елементом Гавайської міфології, втілені в Пеле, божестві вулканів. Після приходу європейців на острови, в 1880–1881 роках Джеймс Двайт Дана керував першими офіційними геологічними дослідженнями вулканічної активності гарячої точки і підтвердив зв'язок, давно помічений тубільцями. 1912 року була заснована Гавайська вулканічна обсерваторія вулканологом Томасом Джаггаром, що стало початком безперервного наукового спостереження островів. У 1970-ті роки був ініційований проект мапування для отримання більше інформації про складну геологію морського дна довкола Гаваїв.
Томографічна зйомка точки показала її розміри 500–600 км в ширину і до 2 000 км в глибину, а дослідження на основі олівіну і гранату показали, що її магматична комора має температуру приблизно +1500 °C. За її принаймні 85 мільйонів років діяльності точка викинула десь 750 000 км³ каменю. Швидкість дрейфу ланцюга поступово збільшується з плином часу, в результаті час активності кожного окремого вулкана зменшується, з 18 мільйонів років для гори Детройт віком 76 млн років до трохи менше 900 000 років для Когала віком 1 млн років; з іншого боку обсяг вивержень збільшився з 0,01 км³ на рік до приблизно 0,21 км³ на рік. В цілому, це викликало тенденцію до активніших, але швидко згасаючих, близько розташованих вулканів — в той час як на ближній стороні точки вулкани накладаються один на одного (утворюючи такі суперструктури як острів Гаваї і древній Мауї-Нуї), найстаріші з Імператорських підводних гір розташовані на відстанях до 200 км одна від одної.
Теорії Тектонічні плити, як правило, обмежують деформацію і вулканізм кордонами плит. Однак Гавайська гаряча точка розташована більш ніж у 3200 км від найближчого кордону плит; під час її дослідження 1963 року, канадський геофізик Дж. Т. Вілсон запропонував теорію гарячої точки, щоб пояснити ці зони вулканізму так далеко від звичайних умов, теорію, яка з того часу отримала широке визнання.
Теорія стаціонарної точки Вілсона
Вілсон запропонував, що під поверхнею землі існують невеликі, довгограючі, дуже гарячі магматичні області; ці осередки жару створюють термічно активні плюми, які, в свою чергу, підтримують тривалу вулканічну активність над ними. Цей вулканізм «середини плити» будує вершини, що піднімаються з порівняно безликого дна моря, спочатку як підводні гори, а пізніше як повноцінні вулканічні острови. Тектоніка плит викликає повільне ковзання локальної тектонічної плити (у разі Гавайської точки — Тихоокеанська плита) над гарячою точкою, що відносить її вулкани без шкоди для плюму. Протягом сотень тисяч років магма поступово відрізується від вулкана і він повільно згасає. Більше не достатньо активний, щоб долати ерозію морем, вулкан повільно занурюється під воду, перетворюючись знову у підводну вершину. При продовженні циклу з'являється новий центр вулканізму і вулканічний острів виникає заново. Процес продовжується до тих пір, поки мантійний плюм не припинить існування.
Цей цикл росту і спокою «нанизує» вулкани в ланцюг протягом мільйонів років, залишаючи за собою слід з вулканічних островів і підводних гір на дні океану. За теорією Вілсона, гавайські вулкани повинні бути все старшими і більш еродованими по мірі віддалення від гарячої точки, і це легко побачити; найстарша порода на головних Гавайських островів — з Кауаї, має вік приблизно 5,5 мільйонів років і сильно еродована, в той час як порода Гаваї є порівняно молодою (0,7 млн років або менше), а нова лава постійно вивергається на Кілауеа, над поточним центром точки.
Ще один наслідок його теорії полягає в тому, що довжина ланцюга і орієнтація також служить літописом напрямку і швидкості руху Тихоокеанської плити. Головна особливість Гавайського сліду — раптовий 60° вигин на секції віком 40–50 млн років, і, за теорією Вілсона, це свідчить про серйозну зміну в напрямку руху плити, яка б ініціювала субдукцію уздовж більшої частини західного кордону Тихоокеанської плити. Ця частина теорії нещодавно була оскаржена, і поворотом може бути наслідком руху не плити, а самої точки.
Геофізики вважають, що гарячі точки виникають на одній з двох основних меж в глибині Землі: або у неглибоко розташованій проміжній поверхні в нижній мантії між верхнім конвективним шаром і нижнім не конвективним, або у глибшому шарі D'' («Д з подвійним апострофом»), який приблизно 200 км товщини і розташований безпосередньо над межею ядро-мантія. Мантійний плюм зародиться у проміжній поверхні, коли тепліший нижній шар нагріває частину холоднішого верхнього. Ця розігріта, текуча і менш в'язка частина верхнього шару стане менш щільною внаслідок теплового розширення і підніметься в напрямку поверхні як нестійкість Релея — Тейлора. Коли мантійний плюм досягає низу літосфери, він її нагріває його і розплавляє. Ця магма потім пробивається на поверхню, де вивергається як лава.
Доводи на користь чинності теорії гарячої точки в цілому центруються довкола стійкої вікової прогресії Гавайських островів і розташованих поруч з ними інших географічних рис: подібний загин сліду точки Макдональда, яка створила ланцюг підводних гір Острал–Маршаллові острови, розташований на південь від Гаваїв; те, що інші гарячі точки Тихоокеанському регіоні демонструють той самий віковий тренд руху з південного сходу на північний захід у фіксованому взаєморозташуванні; сейсмологічні дослідження Гавайських островів, які показують підвищені температури на кордоні ядро–мантія, що підтверджує мантійний плюм..
Теорія неглибокої гарячої точки
Інша гіпотеза полягає в тому, що розплавлені аномалії утворюються просто в результаті розтягування літосфери, яка дозволяє попередньо існуючим розплавам піднятися на поверхню. Ці розплавлені аномалії у теорії плюмів називаються «гарячі точки», але це назва передбачає незвичайно високу температуру джерела в мантії, яка не була підтверджена спостереженнями. У випадку з Імператорсько-Гавайським ланцюгом підводних гір, система меж Тихоокеанської плити була дуже іншою на ~ 80 млн років тому, коли почав формуватися ланцюг Імператорських підводних гір. Існують докази того, що ланцюг почався на ділянці спредингу (Тихоокеанський-Кула хребет), яка зараз субдукована в Алеутську западину. Локус екстракції розплаву мігрував з хребта на внутрішню частину плити, залишаючи сліди вулканізму за ним. Ця міграція ймовірно сталася через те, що частина плити розтягувалась в цілях зменшення напруження всередині плити. Таким чином, підтримувалась тривала область розплаву.
Сейсмічна томографія не підтримує гіпотезу плюма. Незважаючи на численні документи, опубліковані з посиланням на сейсмологічні докази плюму в регіоні, ці пропоновані плюми розташовані в різних місцях, багато з них нахилені під великими кутами і в різних напрямках, і деякі з них тисячі кілометрів від Великого острова Гаваїв. Досі немає достовірних зображень мантійного плюму, який би простягався вниз до кордону між ядром і мантією.
Теорія рухомої точки Найбільш сильно оскаржуваний елемент теорії Вілсона — те, чи дійсно гаряча точка фіксована по відношенню до розміщеної вище тектонічної плити. Зразки керну, зібрані вченими починаючи з 1963 року, дозволяють припустити, що точка могла дрейфувати у відносно швидкому темпі близько 4 см на рік протягом пізньої Крейди і раннього Палеогену (81–47 млн.років тому). Для порівняння, Серединно-Атлантичний хребет розтягується зі швидкістю 2,5 см на рік. 1987 року дослідження, опубліковане Пітером Молнаром і Джоанн Сток, виявило, що точка рухається по відношенню до Атлантичного океану; втім, вони розцінили це як результат відносного руху Північноамериканської і Тихоокеанської плит, а не точки самої по собі.
2001 року «Програма буріння океану» (зараз «Комплексна програма буріння океану»), міжнародна науково-дослідницька діяльність з вивчення світового океанічного дна, профінансувала два місяці експедиції на борту дослідницького судна «JOIDES Resolution» для збору зразків лави з чотирьох занурених Імператорських підводних гір. Проектом були пробурені підводні гори Детройт, Нінтоку і Коко, всі з них в далекому Північно-Західному кінці ланцюга, найстарішій ділянці. Вивчення цих зразків лави в 2003 році дозволило припустити мобільну Гавайську гарячу точку і зміну у її русі як причину загину в ланцюзі гір.
Незважаючи на великий зсув, зміна напрямку ніколи не була записана магнітними схиленнями, орієнтацією зон тріщинуватості або в межах реконструкції плит; колізія континентів не могла відбувалися досить швидко, щоб утворити такий виражений вигин в ланцюзі. Щоб перевірити, чи не був загин результатом зміни напрямку руху Тихоокеанської плити, вчені проаналізували зразки геохімії лави, щоб визначити, де і коли вони утворилися. Вік визначається радіоізотопним датуванням радіоактивних ізотопів калію і аргону. Дослідники визначили, що вулкани, з яких було взято зразки, утворились в період 81–45 млн. років тому. Тардуно і його команда визначили, де вулкани формувались шляхом аналізу гірських порід з вмістом магнетиту, — коли гаряча лава від виверження вулкана остигає, мікрозерна в магнетиті узгоджуються з магнітним полем Землі і фіксуються в цьому положенні, коли камінь застигає. Дослідники змогли визначити в широти, на яких утворились ці вулкани шляхом вимірювання орієнтації зерен металу в магнетиті. Палеомагнетисти дійшли до висновку, що Гавайська гаряча точка мігрувала на південь в своїй історії і що 47 мільйонів років тому її рух на південь сильно сповільнився, можливо навіть зупинився повністю.
Історія вивчення
Стародавні Гавайці Те, що Гавайські острови стають старішими в напрямку на північний захід, стародавні гавайці підозрювали задовго до приходу європейців. Під час їх морських подорожей вздовж островів, Гавайці помітили відмінності у ерозії, ґрунтоутворенні, рослинності, що дозволило їм зробити висновок, що острови в північно-західний частини архіпелагу (Ніїхау і Кауаї) були старше островів на південному сході (Мауї, Гаваї). Ця ідея передавалась з покоління в покоління через легенди про Пеле, вогняну гавайську богиню вулканів.