Global dynamic topography observations reveal limited influence of large-scale mantle flow

Convective circulation of the Earth’s mantle maintains some fraction of surface topography that varies with space and time. Most predictive models show that this dynamic topography has peak amplitudes of about ±2 km, dominated by wavelengths of 104 km. Here, we test these models against our comprehensive observational database of 2,120 spot measurements of dynamic topography that were determined by analysing oceanic seismic surveys. These accurate measurements have typical peak amplitudes of ±1 km and wavelengths of approximately 103 km, and are combined with limited continental constraints to generate a global spherical harmonic model, the robustness of which has been carefully tested and benchmarked. Our power spectral analysis reveals significant discrepancies between observed and predicted dynamic topography. At longer wavelengths (such as 104 km), observed dynamic topography has peak amplitudes of about ±500 m. At shorter wavelengths (such as 103 km), significant dynamic topography is still observed. We show that these discrepancies can be explained if short-wavelength dynamic topography is generated by temperature-driven density anomalies within a sub-plate asthenospheric channel. Stratigraphic observations from adjacent continental margins show that these dynamic topographic signals evolve quickly with time. More rapid temporal and spatial changes in vertical displacement of the Earth’s surface have direct consequences for fields as diverse as mantle flow, oceanic circulation and long-term climate change.This research was supported by a BP-Cambridge collaboration. We are grateful to ION for permission to publish partial seismic reflection profiles shown in Fig. 2 from their IndiaSPAN and Greater BrasilSPAN data sets

Gravitační mapy litosférické struktury pod Indickým oceánem

Litosférická struktura pod Indickým oceánem je pravděpodobně nejsložitější, ale zároveň nejméně pochopená mezi světovými oceány. Výsledky tomografických, geochemických, magnetických a jiných průzkumů svědčí o jeho komplexní geologické historii. Seismické průzkumy byly primárním zdrojem informací o litosférické struktuře pod Indickým oceánem, ale tyto experimenty jsou soustředěny hlavně na místech s vysokým geofyzikálním zájmem. Údaje o mořské gravitaci získané zpracováním měření družicové výškoměry naopak poskytují podrobný obraz reliéfu celého mořského dna, čímž se dále rozšiřují znalosti o jeho tvorbě, tektonismu a vulkanismu. V této studii používáme údaje o gravitační, bathymetrické, mořské sedimentu a litosférické hustotě pro sestavení gravitačních map Bouguer a pláště. Poté použijeme obě gravitační mapy k interpretaci litosférické struktury pod Indickým oceánem. Bouguerova gravitační mapa odhaluje hlavní tektonické a sopečné rysy, které jsou prostorově korelovány s odchylkami tloušťky kůry. Mapa gravitačního pláště vykazuje hlavně tepelný podpis litosférického pláště. Gravitační minima v této gravitační mapě značí výrazně aktivní oceánské divergentní tektonické okraje podél středových, jihovýchodních a jihozápadních indických hřebenů, včetně také Carlsbergského hřebene. Gravitační minima se rozprostírá podél Rudého moře - Adenského zálivu a východoafrických trhlin, což potvrzuje spojení mezi středo oceánskými hřebeny šíření (v Indickém oceánu) a kontinentálními trhlinami (ve východní Africe). Kombinovaná interpretace Bouguerových a plášťových gravitačních map potvrzuje kolizní původ horských pásem podél kontinentálních trhlin ve východní Africe. Důkaz o jižním rozšíření východoafrického riftového systému a jeho spojení s jihozápadním indickým hřbetem v mapě gravitačního pláště chybí. Podobně se neprojevuje pokračující rozpad složené indo-australské desky. Chybějící tepelný podpis v gravitační mapě pláště na těchto dvou místech je vysvětlen skutečností, že jižní hranice Nubian-Somálska (tj. Lwandleova deska) a Indo-australská hranice (tj. Capricornova deska) jsou rozptýlené zóny konvergence, charakterizované nízkou deformací a seismicitou v důsledku velmi pomalých rychlostí relativních pohybů ubytovaných přes tyto hranice. Chybí také jasný projev tepelného podpisu horkých míst uvnitř destičky v mapě gravitace pláště. Toto zjištění souhlasí s důkazy z přímých měření tepelného toku, které nenaznačují přítomnost významné pozitivní teplotní anomálie ve srovnání s oceánskou litosférou podobného věku.The lithospheric structure beneath the Indian Ocean is probably the most complicated, but at the same time, the least understood among world’s oceans. Results of tomographic, geochemical, magnetic and other surveys provide the evidence of its complex geological history. Seismic surveys have been a primary source of information about the lithospheric structure beneath the Indian Ocean, but these experiments are mainly concentrated at locations of a high geophysical interest. Marine gravity data obtained from processing the satellite altimetry measurements, on the other hand, deliver a detailed image of the whole seafloor relief, advancing further the knowledge about its formation, tectonism and volcanism. In this study, we use gravitational, bathymetric, marine sediment and lithospheric density structure data to compile the Bouguer and mantle gravity maps. We then use both gravity maps to interpret the lithospheric structure beneath the Indian Ocean. The Bouguer gravity map reveals major tectonic and volcanic features that are spatially correlated with crustal thickness variations. The mantle gravity map exhibits mainly a thermal signature of the lithospheric mantle. Gravity lows in this gravity map mark distinctively active oceanic divergent tectonic margins along the Central, Southeast and Southwest Indian Ridges including also the Carlsberg Ridge. Gravity lows extend along the Red Sea–Gulf of Aden and East African Rift Systems, confirming a connection between mid-oceanic spreading ridges (in the Indian Ocean) and continental rift systems (in East Africa). The combined interpretation of the Bouguer and mantle gravity maps confirms a non-collisional origin of mountain ranges along continental rift systems in East Africa. The evidence of a southern extension of the East African Rift System and its link with the Southwest Indian Ridge in the mantle gravity map is absent. Similarly, the ongoing breakup of the composite Indo-Australian plate is not manifested. A missing thermal signature in the mantle gravity map at these two locations is explained by the fact that the southern Nubian-Somalian plate boundary (i.e., the Lwandle plate) and the Indo-Australian plate boundary (i.e., the Capricorn plate) are diffuse zones of convergence, characterized by low deformation and seismicity due to very slow rates of relative motions accommodated across these boundaries. The clear manifestation of the thermal signature of intraplate hot spots in the mantle gravity map is also absent. This finding agrees with the evidence from direct heat flow measurements that do not indicate the presence of a significant positive temperature anomaly compared to the oceanic lithosphere of a similar age