Воду в мантии назвали причиной вулканизма в Японии и на северо-востоке Китая

Итальянские исследователи создали теоретическую модель вулканизма в области северо-востока Китая и японского желоба. Согласно полученным расчетам, вулканы возникли в результате потери воды краем тихоокеанской литосферной плиты в переходной зоне между верхней и нижней мантией. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Основные механизмы зарождения, подъема и затвердевания магмы на поверхности Земли связаны либо с пассивным подъемом магмы в центральных частях океанов (срединно-океанических хребтов), высвобождением летучих соединений в зонах погружения литосферных плит в мантию (субдукции), либо с движением к поверхности мантийных плюмов. Однако Кайнозойский внутриплитный вулканизм на северо-востоке Китая и формирование молодых вулканов японского желоба этими процессами объяснить нельзя. Модели сейсмической томографии показывают, что эти области тихоокеанской плиты «застряли» в переходной зоне мантии, которая разделяет верхнюю и нижнюю мантии и простирается почти на 1000 км вглубь под северо-восточной частью Китая.

Предполагается, что Кайнозойский внутриплитный магматизм связан с высвобождением воды Тихоокеанской плиты в переходной зоне. Согласно исследованиям электрической проводимости, переходная зона мантии в среднем содержит в себе около десятой доли процента воды по массе. Под территорией северо-восточной части Китая и Японии эта часть магмы более влажная, в ней, по расчетам от 0.5 до одного массового процента воды. Переходная зона состоит в основном из минералов, способных связать от одного до трех массовых процентов воды, что почти на два порядка выше растворимости воды (водорода) в минералах верхней и нижней мантий. Такая разница позволяет предположить, что, когда плиты погружаются в мантию, они вызывают вертикальный поток материи из более влажной переходной зоны к верхним слоям, позволяя магме образоваться и высвободится на поверхности Земли.

Чтобы проверить эту гипотезу Цзяньфэн Ян (Jianfeng Yang) и Мануэле Фачченда (Manuele Faccenda) из Университета Падуи разработали теоретические модели погружения плиты во влажную переходную зону мантии и последующих процессов.

Поперечное сечение модели зоны субдукции Японии, с океанической плитой, погружающейся под Японию. Красным обозначены области, где производится магма

Согласно модели, плита при погружении захватывает часть верхней мантии, толкает переходную зону вниз к нижней мантии, в результате такого давления в области от 700 до 800 километров в глубину образуется частично расплавленный слой. С другой стороны, часть переходной зоны мантии, поднятая над плитой, начинает частично плавиться на глубине более 410 километров. Эти частично расплавленные области над и под переходной зоной вызывают появление сейсмических низкоскоростных зон. Когда расплавленные части просачиваются сквозь твердые слои к поверхности, происходят извержения. Такой вулканизм не распределяется однородно, так как на него влияют потоки в образовавшейся траншее, а неравномерность распределения воды в переходной зоне приводит к тому, что в одинаковых условиях более влажные участки плавятся быстрее, чем сухие.

Толщина частично расплавленного слоя может быть как несколько десятков километров, так и превышать сотню километров, в зависимости от скорости высвобождения жидкости и содержания воды. Если высвобождение жидкости из этого слоя происходит достаточно быстро, вулкан может образоваться в более чем в 600 километрах от места погружения плиты в магму.

Расчетные данные хорошо совпали с сейсмическими и геологическими наблюдениями. По словам авторов, предложенные модели также могут помочь объяснить Кайнозойский анорогенный вулканизм в средиземноморье и внутриплитный вулканизм на турецко-иранском плато.

Летом 2018 года Американские ученые подтвердили наличие единого магматического резервуара у вулканов в Японии, которые находятся в более чем 20 километрах друг от друга. Несколькими месяцами ранее в том же году геологи исследовали кристаллы, по которым можно определять время извержения и его механизм.