ТЕРМАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ЗОН СУБДУКЦИИ

В течение прошлых 2 десятилетий (сейчас 2010-й), геологи, геофизики и геохимики спорили о физических и химических условиях расплавления в зонах субдукции. Принимая во внимание то, что очень легко объяснить явление магматизма в океанских хребтах, где поднимается горячая мантия, не было просто понять, почему магмы появляются в таком изобилии тогда, когда холодная плита вдвигается в мантию в зонах субдукции. Сначала думали, что причина в трении между соприкасающимися плитами, но вычисления показали, что трение маловероятно: здесь слишком много жидкости и субдукцированного мягкого илистого оозового осадка, которые действуют как смазка. Поэтому важно понять тепловую структуру зон субдукции.
В обзорной статье Ringwood (1974) предлоположил, что простейшая островная дуга из базальтовой лавы(IAT) могла быть связана с обезвоживанием гидратированной океанической коры (амфиболит) при переходе к плотному эклогиту на глубине в 100 км. Гидроиды поднимаются в клин мантии из перидотита, провоцируя расплавление (магмы формируются при много более низких температурах в присутствии воды). В этом случае магмы медленно поднимаются вверх к уровню вулканов дуги, по пути кристаллизуясь в богатых магнием оливинах и пироксенах, так что при подъеме магмы она все более обогащается железом. Извержение базальта (tholeiite) очень естественно.

Для кальциево-алькалийного щелочного магматизма, где больше кремниевой андезитовой и дацитовой магмы или для более зрелой дуги, Ringwood предложил немного другой механизм, основанный на его экспериментальной работе с эклогитами. Гидроиды способствуют расплавлению эклогита (здесь обедненный кремнием гранат остается в богатых кварцем дацитовых магмах). Они в этом случае реагируют с клином мантии и поднимаются как диапиры и извергаются (гора St. Helens - хороший тому пример).

Однако возникает множество проблем с упрощенными моделями и теперь признано, что они всего лишь частный случай для бесчисленных особенностей магм зоны субдукции. Например, простейшая толейитовая Марианская дуга на деле результат диапиризма в передней дуге fore-arc, а диапиризм связан с инициированием новой зоны субдукции после изменения направления движения плиты.

Как зоны субдукции могут вызвать подъем следующих порций магм? Конечно это зависит от диапазона условий температур и давлений, влияющих на таяние клина и куска плиты.

Boninites (андезиты высокого содержания магния) обычно формируются на ранней стадии развития островной дуги.
Толейитовая островная дуга (IAT) обычно ограничена зоной простейших островных дуг.
Кальциево-алькалийные щелочные базальты и андезиты найдены в зрелых островных дугах и на континентальных краях.
Bajaites (Adakites) – высокомагниевые андезиты, отличные от boninites возникают там, где произошла субдукция целого хребта или мафические породы были погребены под плиту.
Shoshonites возникают на последней стадии субдукции или постсубдукции –эти магмы характеризуются высоким содержанием бария и Sr.
Архейский TTG комплекс может быть полученным из субдукцированной океанической коры (породы напоминают адакиты).

Критические пункты проблемы следующие:
(a) при каких условиях кусок плиты плавится?
(b) каково различие между субдукцией старой и молодой океанической коры?
(c) действительно ли магмы происходят в клине мантии?
(d) какова минералогия и полезные ископаемые клина, являются ли роговые обманки (hornblende),флогопиты (phlogopite) и K-richterite устойчивыми в зонах субдукции?
(e) как можно объяснить различие между простейшими островными дугами (например Марианские острова), которые имеют тенденцию прорываться базальтами, и зрелыми дугами (например относящимися к Андам), которые имеют тенденцию прорываться андезитами?

Андерсон и др. (1978; 1980) были первыми, кто рассмотрел тепловую структуру зон субдукции весьма серьезно. Wyllie и сотрудники в ряде статей (например Wyllie, 1988), использовали экспериментальную петрологию для определения критериев расплавления при гидроидных условиях. Он доказали, что океаническая кора, достигающая зоны субдукции будет "относительно холодна" и "влажна" и степень охлаждения зависит от только, сколько сотен или тысяч км кора путешествовала от зоны спрединга. Она всегда влажная в результате гидротермального изменения около оси срединно-океанического хребта. Как только плита субдукцируется, базальтовая кора подвергнется прогрессивному увеличению ее метаморфизма - Greenshist> Амфиболит> Eclogite фации, которые является также рядом реакции обезвоживания до глубин около 100 км.

Позже Peacock (1991) и Bickle & Davies (1991) предложили улучшенную тепловую модель. Например Peacock (1991) исследует тепловой эффект:

(a) Возраст океанической коры сильно влияет при субдукции. Ясно, что молодая теплая океаническая кора будет таять скорее, чем старая холодная литосфера. Возраст Тихоокеанской коры от 5 до 200 Ма. Если весьма молодая кора субдукцируется, она может расплавиться уже при температуре в 900°C под дугой. Чтобы старая кора расплавилась, субдукция должна быть продолжительной.
Блоки, маркируюшие эклогиты и blueschist показывают условия температуры и давления в выкопанных комплексах субдукции (например Францисканский (Franciscan) комплекс в Калифорнии), которые являются совместимыми со средним возрастом 50 Ма субдукции океанической коры.

(b) Количество субдукцированной литосферы. Ясно, что чем больше впихивается остывшей океанической литосферы в верхнюю мантию, тем больше она охладит ее. С нормами субдукции 10 см/год возможно субдукцировать 100 км океанической коры за 1 Му.

Охлаждающий эффект длительной субдукции является весьма серьезным, Так после субдукции 600 км (= 6 Ма.) океанической коры температура становится ниже точки ее плавления. Но как это будет влиять на клин мантии?

c) Модели клина мантии показывают, что если возраст субдукции 10 - 20 Му, субдукция не позволяет конвекцию в клине мантии. Охлаждающий эффект куска плиты очень важен, он быстро снижает температуру в клине ниже температур, при которых магмы были бы произведены.
Однако в случае гидроидов температура многих участков будет выше 950 °C , и расплавление все же возможно. Магмы дуги могут быть получены из клина мантии, но условия для таяния куска плиты очень ограничены.

e) Влияют ли температура или давление на поколения магмы?
При сухих условиях степень расплавления увеличивается с давлением. Однако, при условиях насыщения водой температуры плавления падают почти на 400°C и магмы могут быть на глубине 50 км.
Роговая обманка становится важным минералом при гидроидных условиях; однако на глубинах 70-80 км породы чувствительны к давлению и это означает, что на глубине ~100 + км. много жидкости будет выпущено из роговообманковых пород, что провоцирует расплавление. Это та причина, почему большинство очагов вулканов дуг лежит на ~100 км и выше зоны Бениоффа.

(f) Восходящие и нисходящие потоки в клине мантии
На малых глубинах (25-50 км) массивные количества воды, входя в зону субдукции, могут гидратировать клин мантии и породить серпентиниты: эти породы содержит> 12% воды и значительно менее плотные чем нормальная мантия и они могут подняться как диапиры и "внедриться" (как твердое тело) в области передней дуги fore-arc, и не важно, сформировалась ли дуга вулканически или это та ее часть, где расположены аккреционные осадочные породы.
Внизу охлажденный зоной субдукции клин может стать тяжелее окружения и опускаться вниз, разрушая роговую обманку и расплавляя ее. Это увеличит эффекты вызванной конвекции. Сила сцепления между куском плиты и клином мантии может быть небольшой в случае наличия между ними мягкого осадка.