Pulsations of Plume Activity in Time-and-Space and Magmatism Superimposed on the Oceanic Lithosphere

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The interaction of mobile lithospheric plates and mantle plumes approaching the surface, which have periodic supply of magmatic matter, leads to changes in geological and geophysical characteristics and the appearance of chains and compact groups of volcanoes of different ages in the oceans. Data on the relief, Bouguer anomalies and dating of seamount rocks along the hot spot tracks in the Atlantic, Pacific and Indian Oceans show the presence of stable temporary ~1.5, ~3.7, ~4.5‒7.5 and 10‒12 Ma periods of magmatism powered by different super-plumes. These values correspond to the periods of maxima of the spectral density of sea level fluctuations. The same frequency set of these phenomena indicates a single mechanism and time modulation of activity in magma-conveying channels. Analysis of the times of extremes in the tracks also indicates the compatibility of the periodicity of magmatism in phase. Groups of underwater magmatic structures without plate movement tracks in the coordinates of the age of the basement and the analytical age of the rocks form compact but geographically separated groups in this reference system, in the range of all ages of the basement of the Atlantic Ocean, and have a duration of impulses of magmatism superimposed on the basement from 20 to 60 million years.

This and other facts indicate a fixed position of the supply channels relative to the African Plate on the eastern flank of the Mid-Atlantic Ridge during the Cenozoic. They substantiate the assumption of the general western drift of the lithospheric plates and their displacement from the feeding plume. The pulses of magmatism that are currently continuing in various parts of the Atlantic were preceded by a pause in magmatism from 20 to 60 million years. Analysis of seismic tomography data allows us to explain the discrete spatiotemporal distribution of magmatic pulses by a combination of a variable regime of vertical supply of heated matter with simultaneous horizontal movement of plates.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. Yu. Sokolov

Geological Institute of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: sysokolov@yandex.ru
Russian Federation, 7, Pyzhevsky Lane, Moscow, 119017

N. P. Chamov

Geological Institute of Russian Academy of Sciences

Email: sysokolov@yandex.ru
Russian Federation, 7, Pyzhevsky Lane, Moscow, 119017

A. S. Abramova

Geological Institute of Russian Academy of Sciences

Email: sysokolov@yandex.ru
Russian Federation, 7, Pyzhevsky Lane, Moscow, 119017

References

  1. Жулева Е.В. Пространственно-возрастные характеристики процесса формирования вулканических гор ложа океана // Вестн. КРАУНЦ. Науки о Земле. 2006. № 1. Вып. 7. С. 115–120.
  2. Мазарович А.О. Геологическое строение Центральной Атлантики: разломы, вулканические сооружения и деформации океанского дна. ‒ М.: Научный Мир. 2000. 176 с.
  3. Сколотнев С.Г., Пейве А.А. Состав, строение, происхождение и эволюция внеосевых линейных вулканических структур бразильской котловины (Южная Атлантика) // Геотектоника. 2017. № 1. С. 59‒80.
  4. Соколов С.Ю. Тектоника и геодинамика Экваториального сегмента Атлантики. ‒ М.: Научный мир, 2018. 269 с. (Тр. ГИН РАН. Вып. 618).
  5. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Природа тектонической активности Земли. ‒ В сб.: Итоги науки и техники. Серия Физика Земли. ‒ М.: ВИНИТИ, 1992. 292 с.
  6. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Развитие Земли. ‒ М.: МГУ, 2002. 560 с.
  7. Трифонов В.Г., Соколов С.Ю. Пoдлитосферные течения в мантии // Геотектоника. 2017. № 6. С. 3–17. doi: 10.7868/S0016853X1706008X
  8. Шипилов Э.В. Океаническая кора, трансрегиональные зоны сдвига и Амеразийская микроплита в мел-кайнозойской геодинамике формирования океана в Арктике // Арктика: экология и экономика. 2023. Т. 13. № 1. С. 4‒17. doi: 10.25283/2223-4594-2023-1-4-17
  9. Abbott D.H., Isley A.E. The intensity, occurrence, and duration of superplume events and eras over geological time // J. Geodynam. 2002. Vol. 34. P. 265–307.
  10. Balmino G., Vales N., Bonvalot S., Briais A. Spherical harmonic modeling to ultra-high degree of Bouguer and isostatic anomalies // J. Geodes. 2012. Vol. 86. No. 7. P. 499‒520. Doi: https://doi.org/10.1007/s00190-011-0533-4
  11. Bonatti E., Ligi M., Brunelli D., Cipriani A., Fabretti P., Ferrante V., Gasperini L., Ottolini L. Mantle thermal pulses below the Mid-Atlantic Ridge and temporal variations in the formation of oceanic lithosphere // Nature. 2003. Vol. 423. P. 499‒505.
  12. Bryan S., Ernst R. Revised Definition of Large Igneous Province (LIP) // Earth Sci. Rev. 2008. Vol. 86. P. 175–202.
  13. Coltice N., Husson L., Faccenna C., Arnould M. What drives tectonic plates? // Sci. Advances. 2019. Vol. 5. No. 10. P. 1‒9. doi: 10.1126/sciadv.aax4295
  14. Courtillot V., Davaille A., Besse J., Stock J. Three distinct types of hotspots in the Earth’s mantle // Earth and Planet. Sci. Lett. 2003. Vol. 205. P. 295‒308.
  15. Dang Z., Zhang N., Li Z.-X., Huang C., Spencer C.J., Liu Y. Weak orogenic lithosphere guides the pattern of plume-triggered supercontinent break-up // Nature Commun. Earth and Environ. 2020. Vol. 1. Art. 51. P. 1–11. doi: 10.1038/s43247-020-00052-z
  16. Duncan R.A. Geochronology of basalts from the Ninety-East Ridge and continental dispersion in the eastern Indian Ocean // J. Volcanol. and Geotherm. Res. 1978. Vol. 4. P. 283–305. doi: 10.1016/0377-0273 (78) 90018-5
  17. Duncan R.A. Age distribution of volcanism along aseismic ridges in the eastern Indian Ocean // Proc. Ocean Drilling Program. Sci. Results. 1991. Vol. 121. P. 507–517.
  18. Duncan R.A., Keller R.A. Radiometric ages for basement Seamounts, ODP Leg 197 // Geochem., Geophys., Geosyst. (G3). 2004. Vol. 5. No. 8. P. 1‒23. doi: 10.1029/2004GC000704
  19. Eldholm O., Coffin M. Large Igneous Provinces and Plate Tectonics. ‒ In: The History and Dynamics of Global Plate Motions. ‒ Ed by M.A. Richards, R.G. Gordon, R.D. Van Der Hilst ‒ (AGU. USA. Geophys. Monogr. Ser. 2000. Vol. 121), p. 309–326. doi: 10.1029/GM121
  20. French S., Lekic V., Romanowicz B. Waveform tomography reveals channeled flow at the base of the oceanic asthenosphere // Science. 2013. Vol. 342. P. 227‒230. doi: 10.1126/science.1241514
  21. GEBCO 30” Bathymetry Grid. Vers. 2014. URL: http://www.gebco.net. Accessed November, 2024.
  22. GEOROC geochemical database. URL: http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/. Accessed August 8, 2017.
  23. Gordon A.C., Mohriak W.U. Seismic volcano-stratigraphy in the basaltic complexes on the rifted margin of Pelotas Basin, Southeast Brazil. ‒ In: Petroleum Systems in “Rift” Basins. ‒ Ed. by P.J. Post, J. Coleman (Jr.), N.C. Rosen, D.E. Brown, T. Roberts-Ashby, P. Kahn, M. Rowan, (GCSSEPM 34th Annu. Conf., Houston, Texas, USA. 2015), p. 748–786.
  24. Grand S.P., Van Der Hilst R.D., Widiyantoro S. Global seismic tomography: A snapshot of convection in the Earth // GSA Today. 1997. Vol. 7. P. 1–7.
  25. Guan H., Geoffroy L., Xu M. Magma-assisted fragmentation of Pangea: Continental breakup initiation and propagation // Gondwana Research. 2021. Vol. 96. P. 56–75. doi: 10.1016/j.gr.2021.04.003
  26. Haq B.U., Hardenbol J., Vail P.R. Chronology of fluctuating sea levels since the Triassic // Science. 1987. Vol. 235. P. 1156–1187.
  27. Harrison C.G.A. Power spectrum of sea level change over fifteen decades of frequency // Geochem., Geophys., Geosyst. (G3). 2002. Vol. 3. No. 8. P. 1‒17. 10.1029/2002GC000300
  28. Huang L., Li C.-F. What controls the magma production rate along the Walvis Ridge, South Atlantic? // Tectonophysics. 2024. Vol. 883. Art. 230381. P. 1‒12. doi: 10.1016/j.tecto.2024.230381
  29. Mjelde R., Wessel P., Müller R.D. Global pulsations of intraplate magmatism through the Cenozoic // Lithosphere. 2010. Vol. 2. No. 5. P. 361–376. doi: 10.1130/L107.1
  30. Müller R.D., Sdrolias M., Gaina C., Roest W.R. Age, spreading rates, and spreading asymmetry of the world’s ocean crust // Geochem., Geophys., Geosyst. (G3). 2008. Vol. 9. No. 4. P. 1‒19.
  31. Nobre Silva I.G., Weis D., Scoates J.S., Barling J. The Ninety-East Ridge and its relation to the Kerguelen, Amsterdam and St. Paul hotspots in the Indian Ocean // J. Petrol. 2013. Vol. 54. P. 1177–1210. doi: 10.1093/petrology/egt009
  32. Schaeffer A.J., Lebedev S. Global shear speed structure of the upper mantle and transition zone // Geophys. J. Int. 2013. Vol. 194. No. 4. P. 417‒449.
  33. Torsvik T.H., Smethurst M.A., Burke K., Steinberger B. Large igneous provinces generated from the margins of the large low-velocity provinces in the deep mantle // Geophys. J. Int. 2006. Vol. 167. P. 1447–1460. doi: 10.1111/j.1365-246X.2006.03158.x
  34. Trubitsin V.P., Evseev M.N. Pulsation of mantle plumes // Rus. J. Earth Sci. 2016. Vol. 16. No. 3. P. 1‒14. ES3005. doi: 10.2205/2016ES000569
  35. Zhang Y.S., Tanimoto T. Ridges, hotspots and their interaction, as observed in seismic velocity maps // Nature. 1992. Vol. 355. No. 6355. P. 45‒49.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Mountains and ridges of the Atlantic Ocean with an excess above the abyssal base of ∼ 1000 m (according to [12, 19, 29]). 1 - Mountains and ridges; 2 - Large Magmatic Provinces.

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Variations of seismic S-wave velocities at 100 km depth (based on SL2013sv model data [31]), hotspots (based on [13]) and points with obtained bedrock sampling data on intraplate space, graded by the difference between the age of the basement according to anomalous magnetic field data and the age obtained from geochemical studies of samples. The groups of intraplate magmatic mountains with age determination (Atlantic Ocean) are marked (Arabic numerals in bold): 1 - islands of Iceland, arch Azores, St. Helena Island, St. Gough Island, Tristan da Cunha Island; 1 - islands of Iceland, arch. Tristan da Cunha; 2 - Cameroon Line; 3 - Brazilian Basin (‘cold’ mantle); 4 - Arch. Cape Verde Islands (West Africa) and Canary Islands (north-west coast of Africa); 5 - Bermuda Islands; 6 - New England Mountains; 7 - Iberian Basin; 8 - Bathymetrist Mountains (eastern edge of Equatorial Atlantic); 9 - Brazilian Basin (‘hot’ mantle); 10 - Whale Ridge. 1 - hot spots; 2 - analytical age of rocks from seamounts outside the SAH axis, graded from 0 to 178 million years.

Download (1002KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Comparison of geological and geophysical parameters along the Imperial Ridge track from the Hawaiian Islands hotspot in the Northwest Pacific Ocean (based on data [10, 18, 21]). (a) - Bottom topography profile with smoothed 111 km floating profile window (line in blue); anomalies (line in red); ages (Ma) of coincidence maxima: with the East Indian Ridge 90°E (arrows in black), with the Whale Ridge in the South Atlantic (arrows in blue); (b) - relief of the bottom of the North-West Pacific Ocean and position of the Imperial Ridge track profile; (c) - histogram of age intervals between seamounts obtained by referencing to linearly interpolated values between reference dates in segments with different velocities; (d) - histogram of age intervals between maxima of smoothed relief obtained by referencing to linearly interpolated values between reference dates.

Download (653KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Comparison of geological and geophysical parameters along the East Indian Ridge track 90°E from the Kerguelen hotspot from an age of 40 million years (based on data from [16, 17, 21, 31]). (a) - Bottom relief profile (line in blue) with smoothed 111 km in the floating profile window (line in red); age (Ma) maxima of coincidence with the Imperial Ridge (arrows in black); (b) - East Indian Ocean bottom relief and position of the East Indian Ridge track (90°E); (c) - histogram of age intervals between seamounts obtained by referencing to linearly interpolated values between reference dates in segments with different velocities; (d) - histogram of age intervals between maxima of smoothed relief obtained by referencing to linearly interpolated values between reference dates.

Download (636KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Comparison of geological and geophysical parameters along the Whale Ridge track from the hot spot of the islands of Gough Island and Gough Island. Gough Island and Tristan da Cunha Island (based on data from [10, 21, 28]. Tristan da Cunha (based on data [10, 21, 28]). (a) - Bottom relief profile (line in blue) with a smoothed 111 km floating profile window (line in red); ages (Ma) of maximum coincidence maxima with the Imperial and East Indian Ranges (arrows in black); (b) - South Atlantic bottom relief and position of the Whale Ridge track drawn along the areas with maximum density of rock dating; (c) - histogram of age intervals between seamounts obtained by referencing to linearly interpolated values between reference dates in segments with different velocities; (d) - histogram of age intervals between maxima of smoothed relief obtained by referencing to linearly interpolated values between reference dates.

Download (586KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dating diagram of igneous rocks in coordinates of the basement age (based on magnetic data [30]) and analytical age values (based on data [2, 3, 22]). Shown: dating of igneous rocks (circles in green); age cluster fields correspond to areas with positive (cold) values of seismic velocity variation in the layer from 0 to 100 km (blue); areas with negative (hot) values (red); magmatic event horizon (diagonal in violet); area of pause in the appearance of magmatism pulses (rectangle in blue); area without magmatism pauses (rectangle in red). Groups of intraplate magmatic mountains with age determination (Atlantic Ocean) are marked (Arabic numerals in bold): 1 - islands of Iceland, arch Azores, St. Helena Island, Fr. Gough Island, Tristan da Cunha Island; 1 - islands of Iceland, arch. Tristan da Cunha Island; 2 - Cameroon Line; 3 - Brazilian Basin ("cold" mantle); 4 - Arch. Cape Verde Islands (West Africa) and Canary Islands (north-west coast of Africa); 5 - Bermuda Islands; 6 - New England Mountains; 7 - Iberian Basin; 8 - Bathymetrist Mountains (eastern margin of the Equatorial Atlantic); 9 - Brazilian Basin ("hot" mantle); 10 - Whale Ridge.

Download (402KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Diagram of magmatic rock dating in coordinates of the basement age (based on magnetic data [2930]) and analytical age values (based on data [2, 3, 22]). Shown: magmatic rock dating (circles in green); areas with positive (cold) values of seismic velocity variation in the 0 to 100 km layer (blue); areas with negative (hot) values (red); magmatic event horizon (diagonal in purple); genetically and spatially related seamount groups (double arrows in black); SAH region (circle in blue); seamount groups located: west of the SAH (circles in blue), east of the SAH (circles in red). Groups of intraplate magmatic mountains with age determination (Atlantic Ocean) are marked (Arabic numerals in bold): 1 - islands of Iceland, arch Azores, St. Helena Island, Fr. Gough Island, Tristan da Cunha Island; 1 - islands of Iceland, arch. Tristan da Cunha Island; 2 - Cameroon Line; 3 - Brazilian Basin ("cold" mantle); 4 - Arch. Cape Verde Islands (West Africa) and Canary Islands (north-west coast of Africa); 5 - Bermuda Islands; 6 - New England Mountains; 7 - Iberian Basin; 8 - Bathymetrist Mountains (eastern margin of the Equatorial Atlantic); 9 - Brazilian Basin ("hot" mantle); 10 - Whale Ridge.

Download (388KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. S-wave dV section of the NGRAND [24] seismo-tomographic model from the mantle roof to its basement (a) and the position of its profile on the slice of this model at a depth of 100 km (b). The contours are drawn at 0.5% intervals; the zero isoline is shown as a dashed line.

Download (703KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».