Зоны Беньофа

Source - http://avspir.narod.ru/geo/khain1995/hain_6_1.htm

Наиболее выразительным проявлением современной субдукции служат их сейсмофокальные зоны, впервые открытые под Японией К.Вадати в 30-х. В 1946 г. А.Н. Заварицкий высказал мысль о первичной, определяющей роли глубинных сейсмоактивных зон в отношении наблюдаемых над ними близповерхностных тектонических и вулканических процессов, являющихся в этом смысле вторичными.В 1949—1955 гг. X.Беньоф из Калифорнийского технологического института подитожил все имеющиеся сведения о сейсмофокальных зонах.

К настоящему времени накоплен обширный материал о строении зон Беньофа, учитывающий размещение очагов землетрясений, их магнитуда, а также результаты решения их фокального механизма, позволяющие судить об ориентировке главных осей напряжения. Размещение глубинных очагов обычно изображают на картах, а также на поперечных и продольных «профилях» зоны Беньофа. Каждый такой «профиль» представляет проекцию сейсмических очагов на вертикальную поверхность. Для построения поперечного «профиля» берется определенный сегмент зоны Беньофа и оказавшиеся в его пределах очаги проектируются на вертикальную плоскость, ориентированную вкрест простирания зоны. Иногда эту вертикальную плоскость ориентируют в направлении субдукции, которая может происходить под разными углами к простиранию зоны. Продольный «профиль» зоны Беньофа получают, проектируя сейсмические очаги на вертикальную поверхность, которая следует вдоль сейсмофокальной зоны, изгибаясь вместе с ней.

Сравнивая размещение очагов землетрясений с результатами сейсмической томографии для той же зоны субдукции, можно убедиться, что погружение литосферы сначала, до какой-то определенной глубины, порождает очаги упругих колебаний, а далее продолжается как асейсмичный процесс. Это определяется снижением упругих свойств субдуцирующей литосферы по мере ее разогрева. Глубинность зон Беньофа зависит от зрелости субдуцирующей океанской литосферы, которая с возрастом наращивала свою мощность и охлаждалась. Не случайно среди сейсмофокальных зон, уходящих до максимальных глубин 600—850км числятся зоны Японская, Идзу-Бонинская, Марианская, Тонга, Кермадек, где субдуцирует литосфера с возрастом 120—150 Му. Напротив, там, где субдукция начинается вблизи осей спрединга, тонкая и высокотемпературная литосфера сейсмична лишь до глубин 200—100км, а иногда и менее (у Каскадных гор, у Мексиканской и Южно-Чилийской окраин, в зонах Нанкай, Яп-Палау и Южно-Соломоновой).

Второй важный регулятор глубинности зон Беньофа — скорость субдукции. При высоких скоростях (9—10,5 см/год) даже литосфера с возрастом 80—40 Му сохраняет упругие свойства до глубин около 600 км (пример – Камчатка). При низких скоростях B 3,5см год даже зрелая литосфера становится асейсмичной уже на глубинах 250—300 км (Малые Антилы, Новая Зеландия).

Вертикальное распределение сейсмических очагов в зонах Беньофа крайне неравномерно. Их количество максимально в верхах зоны, убывает по экспоненте до глубин 250—300 км, а затем возрастает, давая пик в интервале от 450 до 600 км. Под активными вулканическими поясами наблюдается еще один низкосейсмичный (а иногда асейсмичный) пробел на глубине 150—200 км.

Все зоны Беньофа наклонны. В окраинно-материковых системах и в сложно построенных системах японского типа они погружаются в сторону континента, поскольку субдуцирует океанская литосфера. В зонах субдукции океанского (марианского) типа направление наклона не контролируется континентом и погружается та плита, которая древнее и зона Беньофа наклонена под более молодую океанскую литосферу.

Наклон каждой сейсмофокальной зоны меняется с глубиной, тем самым вырисовывается ее поперечный профиль. Небольшие углы наклона у поверхности (35—10°) с глубиной увеличиваются: сначала очень незначительно, затем обычно следует отчетливый перегиб, за которым идет нарастание наклона почти до вертикального. Практически все разнообразие профилей закономерно размещается между двумя крайними их видами. Один представлен в системах океанского типа (Новые Гебриды, Идзу-Бонинская) с крутым наклоном близ поверхности (около 30°), перегиб происходит на глубинах до 100 км, идет увеличение наклона до максимальных значений и на самых больших глубинах на подходе к нижней мантии возможно резкое выполаживание. Другой крайний случай представлен Андской системой. Здесь зона Беньофа уходит от желоба очень полого (10—20°), перегиб находится значительно глубже (200—250км), а за ним крутая часть профиля прослеживается с пробелами при низкой сейсмической активности.

Малоглубинные зоны Беньофа могут заканчиваться выше перегиба, и профиль у них почти прямолинейный.

Профиль зоны Беньофа трассирует положение субдуцирующей плиты, которое регулируется многими факторами. Общий усредненный наклон плиты в наибольшей степени определяется его обратной зависимостью от скорости конвергенции и прямой — от возраста (мощности, средней плотности) субдуцирующей океанской литосферы. В случае высокой «абсолютной» скорости надвигания висячее крыло перекрывает океанскую литосферу и образуется горизонтальный отрезок зоны Беньофа, ограниченный флексурными перегибами (Центральные Анды). Формирование широкой аккреционной призмы (такой, как на активной окраине Аляски), также ведет к выполаживанию оказавшейся под ней близповерхностной части зоны Беньофа.

Вероятной причиной неравномерного нарастания крутизны уходящей в мантию сейсмофокальной зоны и соответствующих изгибов ее профиля считают уплотнение субдуцирующей литосферы вследствие фазовых переходов. В частности, полагают, что на глубинах 40—60км дегидратация минералов и преобразование габбро в эклогиты приводит к уплотнению приблизительно на 20%, а это создает направленные вниз напряжения. Дальнейшее уплотнение связано с оливин — шпинель переходом на глубинах 300—350 км. Наконец, там, где наблюдается резкое выполаживание зоны Беньофа на подходе к нижней мантии, сейсмические очаги тоже, по-видимому, трассируют соответствующий изгиб литосферы, (которая в этих случаях либо скользит по поверхности нижней мантии (что возможно при двухъярусной конвекции), либо ложится на эту поверхность по мере гравитационного опускания субдуцирующей литосферы и обкатывания ее линии перегиба (у желоба) в сторону океана.

Решение фокального механизма очагов по первым вступлениям сейсмических волн дает ориентировку главных осей напряжения, что в свою очередь позволяет определить направление растяжения -сжатия или сдвига в очаге. В зонах Беньофа эти параметры меняются с глубиной. Близ поверхности — под глубоководным желобом, очаги размещаются в верхней части литосферы. Преобладают растяжения, ориентированные полого, вкрест простирания желоба и обусловленные образованием сбросов при упругом изгибе литосферы перед ее погружением в зону субдукции. С такой трактовкой сбросов согласуется, их простирание, продольное по отношению к желобу и изменяющееся при его поворотах. Эти сбросы устанавливаются сейсмопрофилированием и даже выходят на поверхность дна.

Максимальная сейсмическая активность сосредоточена там, где она порождается конвергентным взаимодействием двух плит. Очаги размещаются на их контакте, решение фокальных механизмов указывает на усилия сдвига, направление которых соответствует относительному смещению в ходе субдукции. Глубинность этого отрезка зон Беньофа определяется толщиной надвигающейся литосферной плиты: до 60—70 км во внутриокеанских зонах, до 100км и более при субдукции под континентальную литосферу. В зонах со слабым сцеплением литосферных плит возникают многочисленные небольшие очаги. При этом на глубинах до 25 км происходит асейсмичное скольжение (крип), объясняемый резким снижением сил сцепления за счет сверхвысоких поровых давлений воды, отделение которой от осадков и от базальтов океанской коры максимально именно на таких глубинах. В других зонах, где силы сцепления велики, происходит накопление упругих напряжений и возникают более редкие землетрясения максимальной магнитуды. На рассматриваемом отрезке сейсмофокальных зон бывают и другие очаги, которые размещаются в верхней части и обусловлены сжатием в направлении субдукции.

Глубже, где субдуцирующая плита выходит из соприкосновения с висячим литосферным крылом и погружается в астеносферу, очаги сдвиговых напряжений уже не обнаруживаются и вплоть до самых больших глубин, сейсмическое выражение субдукции обеспечивается очагами, которые возникают внутри субдуцирующей литосферы: как относительно холодное тело она отличается от окружающих пород более высокими упругими свойствами. Сейсмические очаги образуются в этой литосфере под действием напряжений сжатия или растяжения, ориентированных наклонно в направлении субдукции.

До глубин около 300 км прослеживается как бы двойная сейсмофокальная зона: очаги тяготеют к двум плоскостям, параллельным кровле литосферы и отстоящим приблизительно на 25—40 км одна от другой. К верхней плоскости (к верхам литосферы) приурочены очаги сжатия, к нижней плоскости (к средней части литосферы) — очаги растяжения. На глубинах 300—350 км наблюдается ослабление сейсмической активности, а еще глубже сейсмофокальные зоны выражены главным образом очагами сжатия.

При гравитационном погружении плиты в астеносферу возникают растяжения. Глубже, при взаимодействии с подастеносферной мантией, ее сопротивление создает сжимающие напряжения, способные распространяться вверх по литосферной плите, где они начинают накладываться на растяжения, нейтрализуя их и появляется асейсмичный интервал. Далее, на глубинах 300—350 км, с фазовым переходом оливин — шпинель эти напряжения компенсируются сжатием, появляется асейсмичный пробел. Еще глубже, где определяющим становится эффект фазового перехода, моделируется сложное поле напряжений с господством сил сжатия в направлении субдукции.

Сейсмичность над зонами Беньофа определяется мощностью литосферы в висячем крыле и распределением теплового потока, снижающего упругие свойства пород. Главный источник динамических воздействий - субдукция, а следовательно, важны параметры субдукции и сила сцепления литосферных плит на конвергентной границе.

В островных дугах сейсмичность над зоной Беньофа, начинаясь у желоба, прослеживается по латерали на 500 км и более. Это малоглубинные очаги, даже под энсиалическими дугами они размещаются на расстоянии до 30 км от поверхности, и только немногие опускаются до 60—70 км. Сейсмические очаги образуют горизонтальную систему, приуроченную к верхам литосферы и отделенную от зоны Беньофа клином разогретых пород с температурами до 1500°С и низкой механической добротностью, которые проявляют себя как «область сейсмического молчания». На удалении 100—200 км от оси желоба уже вблизи от вулканического фронта очаги прерываются, проходит «асейсмичный фронт» — линию, ограничивающую асейсмичную полосу шириной в несколько десятков километров. Ее объясняют резким снижением упругих свойств литосферы в результате подъема изотерм, проникновения расплавов и флюидов в полосе островодужного вулканизма.

В таких близповерхностных сейсмофокальных системах над зонами Беньофа преобладает субгоризонтальное сжатие в направлении, перпендикулярном желобу. В очагах, расположенных близ желоба, а также в тылу вулканической дуги может наблюдаться растяжение в том же направлении. В случае косоориентированной относительно конвергентной границы субдукции в сейсмических очагах над зоной Беньофа обнаруживается продольный сдвиг или сложное смещение со сдвиговой компонентой. Такова сейсмичность над Зондской зоной Беньофа, где в соответствии с косоориентированной субдукцией наблюдаются правосдвиговые сейсмогенные смещения.

На активных континентальных окраинах андского типа наличие мощной континентальной литосферы над зоной Беньофа способствует распространению сейсмических очагов в ее висячем крыле на большую глубину в пределах верхних 100 км. Как и в островодужных системах, преобладают очаги субгоризонтального сжатия или растяжения вкрест простирания зоны, наблюдаются те же варианты размещения этих очагов, зависящие от режима субдукции, но в отличие от островных дуг в тылу окраинно-континентальных сооружений вместо зон растяжения могут формироваться зоны сжатия, выраженные сейсмогенными взбросами и надвигами, направленными в глубь континента. Они образуются над зоной Беньофа под воздействием субдукционного давления со стороны океана и соответствуют зонам субдукции альпийского типа. На примере современных Центральных Анд видно, что такая зона сжатия может соседствовать с сейсмогенной зоной растяжения ближе к глубоководному желобу.

Cейсмофокальная зона (СФЗ)