Bizonyíték a közép-franciaországi hegyvidék alatti köpenycsíkra szeizmikus hangzású spektrum alapján
Bizonyíték a közép-franciaországi hegyvidék alatti köpenycsíkra szeizmikus hangzással
A francia középhegység egy nagy európai vulkanikus öv része, amely az alpesi ívtől északra Franciaországtól Németországon (Eifel) át Lengyelországig és a Cseh Köztársaságig (Egergraben) terjed. Viszonylag primitív magmák jellemzik, vagyis az emelkedés alatt alig változnak, amelyek alkálifémekben gazdagok és szegények a kovasavban; erős hasonlóságot mutatnak az óceáni bazalttal, amely olyan vulkanikus szigeteken jelenik meg, mint Hawaii vagy Izland. E lúgos olvadások eredete korábban nem volt ismert.
Ezzel szemben a központi hegységben a vulkanizmus korát nagyon jól meghatározza a kálium-40 radioaktív izotóp és bomlásterméke, az argon-40, valamint a radiokarbon módszer. Ennek megfelelően a fő tevékenység a felsőoktatásban folyt (65–2 millió évvel a jelen előtt). Ennek csúcspontja két rétegvulkán kialakulása volt: a Cantal 11–2,5 millió évvel ezelőtt és a Mont Dore 4–0,3 millió évvel ezelőtt. A legfrissebb kitörések a Chaine des Puys területén csak körülbelül 4000 évvel ezelőtt történtek.
Északon a Közép-hegység a Limagne-Forez hasadékrendszernél ér véget, amely viszont az oligóból és a miocénből származik (38-7 millió évvel ezelőtt). Itt is volt elszigetelt helyi vulkanizmus.
Egy nagy szeizmikus terepi kísérlet során 1991 őszétől 1992 tavaszáig feltártuk a Közép-hegység felszínét, hogy többet megtudjunk a vulkanizmus eredetéről. A kísérlethez az Auvergne-i állandó szeizmikus hálózat 20 állomása mellett 80 mobil, digitális szeizmikus felvevőt telepítettünk. Úgy osztották el őket, hogy a lehető legnagyobb mértékben egyenletesen lefedjék a Közép-Hegység és a Limagne-hasadék legfontosabb vulkanikus központjait (1. ábra). Átlagosan annyira sűrűek voltak, hogy a hálózat közepén még meg lehetett oldani a 15 kilométer körüli élhosszúságú szerkezeteket. Másrészt a hálózat teljes kiterjesztése 425 kilométer kelet-nyugati és 300 kilométer észak-déli irányban lehetővé tette, hogy képet kapjunk a felszínről 270 kilométer mélységben.
Megmértük a hosszanti szeizmikus nyomáshullámok - röviden P hullámok - átmeneti idejét a kiindulási helyüktől, vagyis az érintett földrengés hipocentrumától a különböző mérőállomásokig tartó úton. A megfigyelt és az elméleti értékek közötti különbségek közül a matematikai inverziós módszerrel kiszámítható a szeizmikus sebesség variációja a vizsgált kőzettesten belül.
A 2. ábra az így kapott tomogramot háromdimenziós blokkdiagramként mutatja be, amelyben a délkeleti sarkot kivágták. A legszembetűnőbb szerkezet a csökkent P hullámsebességű (piros színnel jelölt) terület, amely a blokk aljától a felszínig terjed, és az alján körülbelül 200 kilométer széles. Ennek az anomáliának a közepén lévő értékek 2–2,5 százalékkal alacsonyabbak, mint a környéken.
A tomogram közvetlen térbeli kapcsolatot mutat a csökkent P hullámsebességű zónák és a felszínen található Cantal és Mont Dore vulkánok között. Másrészt - a kelet-afrikai Rift-völgytől eltérően - a Limagne-hasadék déli végéhez nem köthető különösebben kifejezett szerkezet. Az alacsony sebességű zóna egyértelműen el van határolva a Közép-hegység keleti lábainál.
Hogyan értelmezhetők ezek az eredmények geodinamikailag? Jó 2 százaléknál a P hullám sebességének csökkenése túl kicsi ahhoz, hogy a felszínen lévő olvadt anyag nagy hányada okozza. Ilyen körülmények között ez leginkább a környező palásthoz képest 150–200 Celsius fokos hőmérséklet-növekedéssel magyarázható; mert minél melegebb egy kőzet, annál lassabban terjednek benne a földrengés hullámai. Ha azt is figyelembe vesszük, hogy az elmúlt kétmillió évben a vulkanizmus néhány szűken körülhatárolt területre korlátozódott a Közép-hegység területén, akkor a sebességi anomáliákat a fokozatosan lebomló hőjel maradék nyomaként értelmezhetjük; a hozzá kapcsolódó magmás aktivitás a miocéntől a pliocénig volt a csúcs (25–2 millió évvel ezelőtt).
Különböző régebbi geofizikai és kőzettani tanulmányok alapján, különösen Francis Lucazeau és Roger Bayer, a montpellier-i Geológiai és Geofizikai Központból, már 1982-ben feltételezték, hogy az astenoszféra (a merev litoszféra alatti viszkózus palástréteg, amely a föld külső héját képezi) a Közép-Hegységben. domború felfelé. Tomográfiai eredményeink megerősítik ezt az astenoszférikus diapir hipotézisét. Ugyanakkor meghatározzák az anomália térbeli kiterjedését, alakját és amplitúdóját nagyobb mélységekig.
Ebbe a képbe illenek azok a geokémiai megállapítások is, amelyeket egyikünk (Marjorie Wilson) Hilary Downesszel a közelmúltban a londoni Birkbeck College-tól kapott, különféle nyugat- és közép-európai vulkanikus régiók mintáinak felhasználásával; Vizsgáltuk a nyomelemek és a fő elemek tartalmát, valamint a stroncium, a neodímium és az ólom különböző izotópjainak arányát.
A kőzetek következetesen megszilárdultak a rosszul differenciált, azaz szinte változatlan magmáktól. Geokémiai aláírása azt jelezte, hogy a forrás litoszferikus és asztenoszférikus köpenyanyag keveréke volt, a litoszferikus komponenssel, néhány kivételtől eltekintve, csak kis részaránnyal.
Különösen figyelemre méltó, hogy bár ez a komponens összetételében az alagsortömbtől függően változik, ahonnan származik, az asztenoszférikus rész mindig szinte azonos a földrajzi elhelyezkedéstől függetlenül. Ez közös eredetet sugall.
Mindebből arra a következtetésre jutunk, hogy a Közép-hegység alatt található egy úgynevezett tolla, egy gomba alakú kőzetáramlás a mélyebb köpenyterületekről, hasonló ahhoz, amely például a hawaii szigetláncot hozta létre, miközben a csendes-óceáni lemez átsodródott fölé. Azonban minden bizonnyal sokkal kisebb, mint a hawaii, és már nem aktív: a belőle eredő vulkanizmus a miocén-pliocén óta jelentősen csökkent, és mára gyakorlatilag kihalt.
Ezzel szemben a geokémiai eredmények azt jelzik, hogy ez nem elszigetelt jelenség. Inkább a Közép-hegységben található aszfoszferikus diapir valószínűleg a kis palástterületek kiterjedt rendszeréhez tartozik, amely Európában elterjedt tercier-kvaterner vulkanizmust okozott. Más ilyen egykori magmagombákat például az Eifel és a Cseh Erdő alatt kell elhelyezni.
De honnan származnak ezek a tollak? Mérsékelt méretük és a viszonylag kicsi hőmérséklet-különbség arra utal, hogy a származási hely nem túl mély. Ez lehet a határ a felső és az alsó palást között 670 kilométer mélységben. Elképzelhető azonban az is, hogy a nyugat- és közép-európai vízgőzök csak mintegy 400 kilométeres mélységű hőtűrésből származnak, amelynél a földköpeny bizonyos ásványainak kristályszerkezete megváltozik a növekvő nyomás miatt.
Ebben az esetben az Alpidic ütközés kiváltó tényezőként működhetett, ha egyfajta tektonikus hullámot mozgásba lendített, a litoszférikus gyökéren keresztül lefelé terjedő nyomás-feszültség viszonyok rendkívül lassan terjedő változásának formájában. Ha 400 kilométeres mélységben érte volna a folytonosságot, akkor ott hibát okozhatott, aminek következtében a kabát anyaga levált és felfelé áramlott.
Ezeknek a megfontolásoknak egyelőre spekulációknak kell maradniuk, mert a rendelkezésre álló adatok nem nyújtanak egyértelmű szeizmikus információt. Annak érdekében, hogy kvantitatív megállapításokat lehessen tenni erről a mélységtartományról, egy nagyobb kísérlet részeként egy még sűrűbb és szélesebb hálózatban jó minőségű mérőberendezést kell felállítani.