Доказателства за мантия, която се намира под централния масив на Франция чрез сеизмично сондажно спектърче
Доказателства за мантия под френския масив Централен масив чрез сеизмично сондаж
Централният френски масив принадлежи на голям европейски вулканичен пояс, който се простира на север от Алпийската дъга от Франция през Германия (Eifel) до Полша и Чехия (Egergraben). Характеризира се с относително примитивни магми, тоест трудно променящи се по време на изкачването, богати на алкални метали и бедни на силициева киселина; те много приличат на океанския базалт, който се появява на вулканични острови като Хавай или Исландия. Преди това произходът на тези алкални стопилки не е бил известен.
За разлика от тях, възрастта на вулканизма в Централния масив е много добре определена чрез датиране на радиоактивния изотоп калий-40 и неговия продукт на разпадане аргон-40, както и с радиовъглеродния метод. Съответно основната дейност е била в третичния период (65 до 2 милиона години преди настоящето). Кулминацията му е образуването на два стратовулкана: Кантал отпреди 11 до 2,5 милиона години и Мон Дор от 4 до 0,3 милиона години. Най-новите изригвания в района на Chaine des Puys са само преди около 4000 години.
На север Централният масив завършва при рифтовата система Лимагне-Форез, която от своя страна датира от олиго и миоцен (от преди 38 до 7 милиона години). И тук имаше изолиран местен вулканизъм.
В голям сеизмичен полеви експеримент ние изследвахме подземната повърхност на централния масив от есента на 1991 г. до пролетта на 1992 г., за да разберем повече за произхода на вулканизма. За експеримента инсталирахме 80 мобилни цифрови сеизмични записващи устройства в допълнение към 20-те станции на постоянната сеизмична мрежа в Оверн. Те бяха разпределени по такъв начин, че да покриват възможно най-равномерно най-важните вулканични центрове на Централния масив и Лиманския рифт (фиг. 1). Средно те бяха толкова плътни, че структури с дължина на ръба около 15 километра все още можеха да бъдат разрешени в центъра на мрежата. От друга страна, общото разширение на мрежата от 425 километра в посока изток-запад и 300 километра в посока север-юг даде възможност да се получи представа за подземната повърхност на дълбочина 270 километра.
Измерваха се транзитните времена на надлъжните сеизмични вълни под налягане - наричани накратко Р вълни - по пътя от мястото им на произход, т.е. От разликите между наблюдаваните и теоретичните стойности, методът на математическа инверсия може да се използва за изчисляване на вариацията в сеизмичните скорости в изследваното скално тяло.
Фигура 2 показва томограмата, получена по този начин като триизмерна блок-схема, в която е изрязан югоизточният ъгъл. Най-забележимата структура е област с намалена скорост на Р-вълна (показана в червено), която се простира от дъното на блока до повърхността и е приблизително 200 километра широка в основата. Стойностите в центъра на тази аномалия са с 2 до 2,5 процента по-ниски, отколкото в околността.
Томограмата показва пряка пространствена връзка между зоните с намалени скорости на P-вълната и вулканите Кантал и Мон Дор на повърхността. За разлика от тях, за разлика например от Източноафриканската рифтова долина, никакви особено изразени структури не могат да бъдат свързани с южния край на Лиманския рифт. Зоната с ниска скорост е ясно очертана към източните подножия на Централния масив.
Как тези резултати да се интерпретират геодинамично? При добри 2% намаляването на скоростта на Р-вълната е твърде малко, за да бъде причинено от големи пропорции на разтопен материал в подземната повърхност. При тези обстоятелства това може да се обясни най-добре с повишаване на температурата от 150 до 200 градуса по Целзий в сравнение с околната мантия; тъй като колкото по-топла е скалната маса, толкова по-бавни земетресения се разпространяват в нея. Ако се има предвид също, че вулканизмът през последните два милиона години е бил ограничен до няколко тясно дефинирани области в района на Централния масив, може да се тълкуват скоростните аномалии като остатъчна следа от топлинен сигнал, който постепенно се разпада; свързаната с нея магматична активност е достигнала своя връх в миоцена до плиоцена (преди 25 до 2 милиона години).
Въз основа на различни по-стари геофизични и петрологични проучвания, по-специално Франсис Луказо и Роджър Байер от Центъра за геология и геофизика в Монпелие още през 1982 г. постулират, че астеносферата (твърдата пластмасова мантия под твърдата литосфера, която образува външната обвивка на земята) се намира под централния масив изпъкнали нагоре. Нашите томографски резултати потвърждават тази хипотеза за астеносферен диапир. В същото време те определят пространствената степен, форма и амплитуда на аномалията до по-големи дълбочини.
Геохимичните констатации, че една от нас (Марджори Уилсън) и Хилари Даунс от колежа Birkbeck в Лондон, получени наскоро от проби от различни вулканични региони в Западна и Централна Европа, също се вписват в тази картина; Бяха изследвани съдържанието на следи и основни елементи, както и съотношението на различни изотопи на стронций, неодим и олово.
Скалите постоянно се втвърдяват от слабо диференцирани, т.е. почти непроменени магми. Неговият геохимичен подпис показва, че източникът е смес от литосферен и астеносферен мантия, с литосферен компонент, с малки изключения, само с малък дял.
Особено забележително е, че макар този компонент да варира в състава си в зависимост от сутеренния блок, от който произхожда, астеносферната част винаги е почти идентична, независимо от географското местоположение. Това предполага общ произход.
От всичко това стигаме до извода, че под централния масив има така наречения шлейф, гъбовиден поток от скален материал от по-дълбоки области на мантията, подобен на този, който например е създал хавайската островна верига, докато тихоокеанската плоча се е носила над нея. Със сигурност обаче е много по-малък от хавайския и вече не е активен: вулканизмът, който произтича от него, е намалял значително след миоцен-плиоцена и сега практически е изчезнал.
За разлика от това, геохимичните открития изглежда показват, че това не е изолирано явление. По-скоро астеносферният диапир под Централния масив вероятно ще принадлежи към обширна система от малки мантийни шлейфове, които са причинили широко разпространения третичен-четвъртичен вулканизъм в Европа. Други такива бивши гъби магма трябва да бъдат разположени например под Айфеловата и Бохемската гора.
Но откъде идват тези шлейфове? Техният умерен размер и относително малката температурна разлика спрямо околната среда предполагат място на произход, което не е твърде дълбоко. Това може да е границата между горната и долната мантия на дълбочина 670 километра. Възможно е също така, че западно и централно европейските шлейфове произхождат от термична нестабилност на дълбочина само около 400 километра, при която кристалната структура на някои минерали в земната мантия се променя поради нарастващото налягане.
В този случай алпидният сблъсък би могъл да действа като спусък, като задейства един вид тектонична вълна под формата на изключително бавно разпространяваща се промяна в връзката налягане-напрежение, която се разпространява надолу през литосферния корен. Ако е ударил прекъсването на дълбочина 400 километра, може да е причинил там неизправност, причинявайки материал на кожуха да се отдели и да изтече нагоре.
За момента тези съображения трябва да останат спекулации, тъй като наличните данни не предоставят ясна сеизмична информация. За да може да се правят количествени изявления за този обхват на дълбочината, трябва да се създаде висококачествено измервателно оборудване в още по-плътна и широка мрежа като част от по-голям експеримент.