Dôkazy oblaku plášťa pod stredným masívom Francúzska podľa seizmicky znejúceho spektra

Dôkazy o oblaku plášťa pod francúzskym Massif Central prostredníctvom seizmického zvuku

Francúzsky masív Central je súčasťou veľkého európskeho vulkanického pásu, ktorý sa rozprestiera na sever od alpského oblúka z Francúzska cez Nemecko (Eifel) do Poľska a Českej republiky (Egergraben). Vyznačuje sa relatívne primitívnymi magmami, to znamená, že sa počas výstupu takmer nemenia, ktoré sú bohaté na alkalické kovy a chudobné na oxid kremičitý; ukazujú silnú podobnosť s oceánskym čadičom, ktorý sa objavuje na sopečných ostrovoch ako Havaj alebo Island. Pôvod týchto alkalických tavenín nebol doteraz známy.

dôkazy

Oproti tomu je vek vulkanizmu v strednom masíve veľmi dobre určený datovaním rádioaktívneho izotopu draselný-40 a jeho rozpadu argónu-40, ako aj rádiokarbónovou metódou. Preto bola hlavná činnosť v treťohorách (65 až 2 milióny rokov pred súčasnosťou). Vyvrcholilo to vytvorením dvoch stratovulkánov: Cantal pred 11 až 2,5 miliónmi rokov a Mont Dore pred 4 až 0,3 miliónmi rokov. Posledné erupcie v oblasti Chaine des Puys sú len asi pred 4000 rokmi.

Na severe končí stredný masív prielomovým systémom Limagne-Forez, ktorý zasa pochádza z Oliga a miocénu (pred 38 až 7 miliónmi rokov). Aj tu bol izolovaný miestny vulkanizmus.

Vo veľkom experimente so seizmickým poľom sme skúmali podpovrchu masívu od jesene 1991 do jari 1992, aby sme zistili viac o pôvode vulkanizmu. V rámci experimentu sme okrem 20 staníc stálej seizmickej siete v Auvergne nainštalovali 80 mobilných digitálnych seizmických záznamníkov. Boli rozmiestnené tak, aby čo najrovnomernejšie pokrývali najdôležitejšie sopečné centrá stredného masívu a priepasti Limagne (obr. 1). V priemere boli také husté, že štruktúry s dĺžkou okraja okolo 15 kilometrov bolo možné vyriešiť v strede siete. Na druhej strane, celkové rozšírenie siete o 425 kilometrov na východ-západ a 300 kilometrov na sever-juh umožnilo získať obraz podpovrchovej hĺbky 270 kilometrov.

Boli merané časy prechodu pozdĺžnych seizmických tlakových vĺn - skrátene nazývaných P vlny - na ceste z miesta ich pôvodu, t. J. Z hypocentra dotknutého zemetrasenia, do rôznych meracích staníc. Z rozdielov medzi pozorovanými a teoretickými hodnotami možno na výpočet variácií seizmických rýchlostí v skúmanom horninovom telese použiť matematickú inverznú metódu.

Obrázok 2 zobrazuje takto získaný tomogram ako trojrozmerný blokový diagram, v ktorom bol vyrezaný juhovýchodný roh. Najnápadnejšia štruktúra je oblasť so zníženou rýchlosťou vlny P (zobrazená červenou farbou), ktorá sa tiahne od spodnej časti bloku k povrchu a je na základni približne 200 kilometrov široká. Hodnoty v strede tejto anomálie sú o 2 až 2,5 percenta nižšie ako v okolí.

Tomogram ukazuje priamy priestorový vzťah medzi zónami znížených rýchlostí vĺn P a sopkami Cantal a Mont Dore na povrchu. Na druhej strane - na rozdiel napríklad od východoafrického priekopového údolia - nemožno s južným koncom priepasti Limagne spájať nijako zvlášť výrazné stavby. Nízkorýchlostné pásmo je zreteľne ohraničené smerom na východné úpätie stredného masívu.

Ako sa majú tieto výsledky interpretovať geodynamicky? Pri dobrých 2 percentách je zníženie rýchlosti P-vlny príliš malé na to, aby bolo spôsobené veľkým podielom roztaveného materiálu v podpovrchovom povrchu. Za týchto okolností sa to dá najlepšie vysvetliť zvýšením teploty o 150 až 200 stupňov Celzia v porovnaní s okolitým plášťom; pretože čím je skalný masív teplejší, šíria sa v ňom pomalšie vlny zemetrasenia. Ak sa tiež vezme do úvahy, že vulkanizmus za posledné dva milióny rokov bol obmedzený na niekoľko úzko vymedzených oblastí v oblasti stredného masívu, možno interpretovať anomálie rýchlosti ako zvyškovú stopu tepelného signálu, ktorý sa postupne rozpadá; magmatická činnosť s tým spojená mala svoj vrchol v miocéne až pliocéne (pred 25 až 2 miliónmi rokov).

Na základe rôznych starších geofyzikálnych a petrologických štúdií, najmä Francisa Lucazeaua a Rogera Bayera z Centra pre geológiu a geofyziku v Montpellier, už v roku 1982 predpokladali, že astenosféra (viskózna vrstva plášťa pod tuhou litosférou, ktorá tvorí vonkajší plášť Zeme) pod stredným masívom vypuklé smerom hore. Naše tomografické výsledky potvrdzujú túto hypotézu o astenosférickom diapire. Zároveň určujú priestorový rozsah, tvar a amplitúdu anomálie až do väčších hĺbok.

Do tohto obrázka zapadajú aj geochemické nálezy, ktoré nedávno získala jedna z nás (Marjorie Wilson) a Hilary Downes z Birkbeck College v Londýne zo vzoriek z rôznych sopečných oblastí západnej a strednej Európy; Skúmal sa obsah stopových a hlavných prvkov, ako aj pomer rôznych izotopov stroncia, neodýmu a olova.

Horniny boli dôsledne spevnené zo slabo diferencovaných, teda takmer nezmenených magiem. Jeho geochemický podpis naznačoval, že zdrojom bola zmes litosférického a astenosférického plášťového materiálu, pričom litosférická zložka, až na pár výnimiek, mala iba malý podiel.

Je zvlášť pozoruhodné, že hoci sa táto zložka líši svojim zložením v závislosti od suterénneho bloku, z ktorého pochádza, astenosférická časť je vždy takmer rovnaká bez ohľadu na geografickú polohu. To naznačuje spoločný pôvod.

Z toho všetkého vyvodzujeme, že pod strediskom Massif Central sa nachádza takzvaný oblak, hubovitý odtok horninového materiálu z hlbších oblastí plášťa, podobný tomu, ktorý napríklad vytvoril havajský ostrovný reťazec, zatiaľ čo tichomorská doska nad ním driftovala. Určite je však oveľa menší ako havajský a už nie je aktívny: vulkanizmus, ktorý z neho vychádza, sa od miocénu-pliocénu výrazne znížil a teraz prakticky vymrel.

Naproti tomu sa zdá, že geochemické nálezy naznačujú, že nejde o ojedinelý jav. Astenosférický diapír pod stredným masívom skôr pravdepodobne patrí do rozsiahleho systému oblakov malého plášťa, ktorý spôsobil v Európe rozšírený treťo-kvartérny vulkanizmus. Ďalšie také bývalé huby magma by sa mali nachádzať napríklad pod Eifelom a Šumavou.

Odkiaľ však tieto chocholy pochádzajú? Ich mierna veľkosť a relatívne malý rozdiel teplôt voči prostrediu naznačujú, že miesto pôvodu nie je príliš hlboké. To by mohla byť hranica medzi horným a spodným plášťom v hĺbke 670 kilometrov. Je však tiež možné, že západný a stredoeurópsky oblak pochádza z tepelnej nestability v hĺbke iba asi 400 kilometrov, pri ktorej sa vplyvom zvyšujúceho sa tlaku mení kryštalická štruktúra určitých minerálov v zemskom plášti.

V tomto prípade mohla alpidská zrážka pôsobiť ako spúšťač uvedením do pohybu akejsi tektonickej vlny v podobe extrémne pomaly sa šíriacej zmeny vo vzťahu tlaku a napätia, ktorá sa šírila smerom nadol cez litosférický koreň. Keby zasiahla diskontinuitu v hĺbke 400 kilometrov, mohlo by to tam spôsobiť poruchu, ktorá by spôsobila odtrhnutie materiálu plášťa a vytekanie smerom nahor.

Tieto úvahy zatiaľ musia zostať špekuláciami, pretože dostupné údaje neposkytujú žiadne jasné seizmické informácie. Aby bolo možné urobiť kvantitatívne výroky o tomto hĺbkovom rozsahu, bolo by potrebné v rámci väčšieho experimentu vytvoriť vysoko kvalitný merací prístroj v ešte hustejšej a širšej sieti.