Зона субдукции

http://www.le.ac.uk/gl/art/gl209/lecture7/lecture7.html

Зоны субдукции и островные дуги


Субдукция – это то место, где работают тектонисты, структурная геология, седиметологи, петрология изверженных пород и метаморфизма, геохимия, геофизика и прикладная геология.

Зоны субдукции - место, где остывшие литосферные плиты погружаются назад в мантию. Требуется примерно 50 Му для океанической литосферы, которая сформировалась в горячей (> 1000°C) окружающей среде серединно-океанских хребтов, чтобы остыть до состояния эквалибрума (равновесия) и опуститься до ее максимальной глубины ниже уровня моря. Хотя нет универсального соглашения по поводу баланса сил, которые производят тектонику плит, сила "напряжения плиты" ("slab-pull" force), считается очень важной. Например Тихоокеанская плита, самая быстрая плита, перемещается примерно 10 см/год. Это та плита, которая субдукцируется в литосферу Земли и поэтому полная сила напряжения плиты большая. Главный аргумент исходит из того, что остывшая океаническая кора более легко преобразуется в плотный эклогит, который намного плотнее чем пиролит (pyrolite).

Что наиболее удивительно – огромное разнообразие геологических особенностей, связанных с субдукцией. Существует разительное различие между восточной и западной окраинами Tихоокеанской плиты. Субдукцию очень важно понимать, потому что это то место, где континентальная кора прогрессивно нарастает со временем.

Типичные особенности субдукции на континентальной окраине показаны на рисунке. Картинка показывает как плита формирует аккреционный клин и как бассейн forearc формируется на вершине клина по мере того как это все тянется вниз (и возможно еще подпитывыется осадочными породами с вулканической дуги). Однако стоит вопрос, как и откуда появляются вулканические магмы, и до какой степени субдукцирующаяся базальтовая плита вносит в это свой вклад. Яляется ли это только флюидом, который мигрирует вниз в измененной океанической коре, который проникает в клин мантии, лежащий над зоной субдукции и становится причиной ее плавления? И в какой степени донные осадки, вовлеченные в зону субдукции, вносят свой вклад в образование магмы островной дуги? Что происходит со снятым материалом в зоне субдукции?


КРАЕВЫЕ БАССЕЙНЫ и BACK ARC SPREADING

Краевые бассейны - особенность западного Tихого океана. Примеры (с севера на юг) - Японское море, Западный Филиппинский Бассейн, Parace Vela и Бассейн Сикоку, the Mariana Trough, the Woodlark Basin, бассейн Фиджи и Lau Basin. Краевые бассейны в настоящее время крайне редки в восточной части Tихого океана.

Краевые бассейны - малые океанические бассейны, обычно смежные с континентом, которые отделены от океана островной дугой. Некоторые краевые бассейны на континентальной окраине могут быть не совсем развиты и представлены утонченной корой, часто связанной с основным вулканизмом. Karig (1971, 1974) разделил краевые бассейны на:

(1) Активные краевые бассейны с высоким потоком высокой температуры.
(2) Бездействующие краевые бассейны с высоким потоком высокой температуры.
(3) Бездействующие краевые бассейны с нормальным потоком высокой температуры.

Первые два, как думается, сформировались при back-arc spreading, или все еще активном (1), или недавно активном (2). Третий тип может представлять бассейны, сформированные как древним back-arc spreading, так и нормальной океанской корой, которая была поймана позади новоразвитой островной дуги.

СТРУКТУРА ОСТРОВНОЙ ДУГИ

Обычная модель «arc - back-arc» имеет следующие компоненты:
(1) Зона Субдукции
(2) Область передней (Fore-arc) дуги с аккреционной осадочной призмой
(3) Фронтальная дуга
(4) Активная дуга
(5) Краевой (мarginal) бассейн с центром спрединга
(6) Остаточная дуга (Remnant Arc)
(7) Неактивный краевой бассейн

Хотя предполагалось, что обширная область передней дуги была составлена из молодых донных отложений, бурение не доказало это. Похоже, что глубинные отложения на ныряющей плите в значительной степени также субдукцировались.

То, что область в back-arc есть зона, где астеносфера резко поднимается, подтверждено сейсмическими исследованиями, которые показывают низкоскоростной слой -Q (сейсмическое ослабление) позади дуги, совместимое с малым количеством расплава в области back-arc:

Магнитные аномалии в бассейнах back-arc слабо развиты, здесь нет симметричных линейных аномалий как в нормальных океанских бассейнах, поэтому здесь возникли трудности в идентификации аномалий. Lawver и Hawkins (1978) предположили, что спрединг может быть сильно разбросан и не ограничен одним центральным четким центром спрединга. Хорошие магнитные образцы этих аномалии, доступные для определения возраста пород были описаны в бассейне back-arc моря Scotia. Спрединг в некоторых бассейнах может быть асимметричным, с увеличением на активной стороне дуги.

Модели для Back-arc Spreading (см. Karig, 1974)

Активный диапириризм.
Одна из самых ранних моделей, основанная на данных Марианской системы островной дуги, где поднимающийся диапир раскалывает дугу. Диапир здесь внедрился или в результате фрикционного нагревания в зоне субдукции, или, более вероятно, через жидкости, выпущенные в результате обезвоживания субдукцирующегося куска. Поднимающийся диапир раскалывает дугу на две, и эти две половины прогрессивно отделяются друг от друга в результате спрединга морского дна.

Пассивный диапиризм
Он возникает в результате региональных пространственных напряжений (extensional stresses) в литосфера поперек системы островной дуги. В действительности нисходящая плита при действии, подобно ремню конвейера, имеет вертикальный компонент, который создает "обратную перемотку" ("roll-back"). Дуга и forearc остаются с зоной субдукции в результате предполагаемой траншейной силы всасывания в глубоководном желобе.

Пошаговое перемещение (Stepwise Migration)
Здесь предполагается, что кусок субдукцирующейся плиты оторван около стержня (континентальная часть желоба) возможно потому что какие-то осадки на снисходящей плите слишком легкие, чтобы погрузиться. Так что новая субдукция немного мигрирует в сторону океана. Дуга остается ближе к стержневой части и колодцев астеносферы позади этой зоны.

Приведенная конвекцией (Convection-driven)
Эта модель предложена Toksoz & Bird (1978), и требует, чтобы вспомогательные конвекционные ячейки были нисходящими и тянули плиты вниз. Вычисления показывают, что задужный спрединг появился бы примерно 10 Му после начала субдукции. Это могло бы объяснить, почему back-arc spreading столь обычен в океанический областях – здесь литосфера более тонка и таким образом более легко преобразуется чем под континентами.

Поднимающийся харзбурдитовый диапир (Uprising Harzburgite Diapir)
Эта модель (Oxburgh и Parmentier 1978) зависит от факта, что раздробленная литосфера (который потерял базальтовые компоненты в серединно-океанических хребтах, стала менее плотной и более плавучей чем нормальная мантия. И она всплывет, если нагреть ее до температуры окружающей мантии. Такой диапир теоретически может быть получен из субдукцирующейся литосферы, хотя сомнительно, что субдукцирующаяся литосфера может разогреться за 10 Му, скорее всего понадобится 1000 - 2000 Му согласно концепции мегалита (Ringwood,1982)

Старая и Молодая Литосферы
Molnar и Atwater (1978) утверждают, что в зависимости от угла падения субдукцирующейся плиты зависит то, что происходит ли extension (продление) литосферы в область back arc. В области западного Tихого океана эта литосфера юрского возраста, холодная и плотная, которая как правило субдукцируется с очень крутым падением и сильной вертикальной компонентой. Таким образом это вызывает экстенсию в регион back arc. В восточной части Tихого океана, с другой стороны, литосфера субдуцируется под третичный андский комплекс, теплый и менее плотный, и зачастую под мелким углом. Эта конвенция более компрессорная, чем экстенсиональная. Uyeda и Kanamori (1979) характеризовали эти два крайних типа субдукции как марианский и чилийский. См. также Dewey (1981)

Другие модели
Различные исследователи комментировали возможные причины появления back-arc spreading, включая оценки этой зависимости от абсолютных и относительных движений плит. Экспериментальные лабораторные исследования по поводу эффекта длительной субдукции, где субдукционный кусок поражается в 650-километровую неоднородность, были выполнены Kincaid и Olsen (1987). Результаты показывают, что крутая субдукция действительно производит существенный roll-back эффект на ось плиты, которая генерирует экстенсиональные условия в регионе back-arc. Со скоростью субдукции в 7 см/год требуется примерно 10 Му прежде чем субдукцирующаяся океаническая литосфера ''поразит'' 650-километровую неоднородность и начнет вводить ''обратную перемотку'' и тем самым экстенсиональные условия.

TEКТОНИКА ЗОН СУБДУКЦИИ
Контрасты между Западным и Восточным Tихим океаном
Uyeda и Kanamori (1979) подчеркнули, что есть два контрастирующих типа зон субдукции: марианский и чилийский с конечно многими промежуточными типами. Марианский тип характеризуется очень круто опускающейся плитой; чилийский тип с мелко опускающей плитой. Эти различия были далее усилены у Dewey (1981).

Марианский Тип имеет:

1. Глубокую открытую глубоководную впадину (до 11 км глубиной), где субдукцируется старая холодная юрская корка.
2. Очень крутая зона Бениоффа
3. Экстенсивные разломы, понижение и тектоническая эрозия внешней стены глубоководной впадины.
4. Широко распространенные экстенсии внутри дуги и спрединг в зоне back-arc.
5. Больше землетрясений в поддвигаемой чем в надвинутой плите.
6. Довольно тонкий мафический промежуточный слой вулканической плутонической коры.
7. Обширный вулканизм; главным образом базальтовый с незначительным количеством андезита.
8. Незначительное или полное отсутствие аккреции седиментов в глубоководном желобе.
9. Подчиненное морфологическое выражение.
10 Лавы имеют тихий вулканический стиль извержения.
11 Вулканы имеют главным образом погруженные конусы с рифами типа fringing.
12 Плохо развиты зоны сноса на вулканах.


Чилийский Тип имеет:

1. Слабый желоб (до 6 км глубиной), зона субдукции моложе и теплее, эоценовыйо возраст океанической коры.
2. Трастовые разломы обычны на внешней стене глубоководного желоба.
3. Большой трастовый разлом в поддвигающейся плите Nazca до 200 км к западу от желоба.
4. Зона Бениоффа имеет малый угол наклона примерно до 200 км, и затем крутизна становится значительной ниже сейсмической дыры.
5. Широко распространено внутридужное сжатие и back-arc трастинг по foreland trough.
6. Более высокая энергия землетрясений в надвигающейся чем в поддвигающейся плите.
7. Плутонизм определяет вулканизм.
8. Вулканизм андезит-дацито-риолитовый; базальты являются более редкими.
9. Толстая (примерно 70км) континентальная кора, постепенно сужающаяся по направлению к желобу до10 км и менее.
10. Из-за доминирующего сжатия континентальная дуга имеет высокую скорость подъема.
11 Сильный вулканический{сопровождающийся осыпью} стиль. Лавы высокой вязкости. Обширные вулканокластические зоны вокруг вулканов.
12 Захватывающее геоморфологическое выражение.


Различие в сейсмических характеристиках: крутое падение зоны Бениоффа в марианском типе означает, что интерфейс контакта между субдукцирующейся плитой и литосферным клином мантии расположен на глубине менее 100 км, следовательно здесь не очень велико фрикционное натяжение. В любом случае тектонические условия экстенсиональные. В чилийском типе, однако, малый угол наклона плиты и большая толщина континентальной литосферы означают, что интерфейс контакта может быть на глубине в 400 км. Следовательно здесь значительное сопротивление и трение и намного большая сейсмическая активность. Еще спецефичнее является плита Фараллон, которая субдукцировалась под очень незначительным углом и создала очень своеобразную тектонику в районе Basin&Ridges.

Тектоническая Эрозия и Аккреции
В Марианской дуге не наблюдается увеличения толщины глубинных отложений в желобе. Все же значительные объемы донных осадков переработываются в желобе: в желоб входят отложения Тихоокеанской плиты толщиной 0.5км, норма субдукции 10 см/год уже 40 Му (сколько км куб. приходится на единицу длины дуги!). Вместо этого forearc испытывает массивную тектоническую эрозию ("subcretion"). Большинство донных осадков субдукцируется, и только малая порция этого перерабатывается в вулканическую дугу. По чилийскому краю поставка осадков следующая: их очень немного на севере, где климатические условия пустыни, но намного больше на юге, где ливневые потоки значительные. Предполагают, что континентальное основание может разрушать процесс субкреции на севере Чили и наращивать таковые на юге. Там, где поставка осадков высока, отложения могут заполнить полностью желоб и выплестнуться на океаническую плиту и все это подползает к зоне субдукции под малым углом.

ОБЪЯСНЕНИЯ РАЗЛИЧИЙ МЕЖДУ ВОСТОЧНОЙ И ЗАПАДНОЙ ОКРАИНАМИ ТИХООКЕАНСКОЙ ПЛИТЫ

Контраст нельзя объяснить просто различиями в норме конвергенции, так как Чилийская, Марианская, Японская дуги и дуга Тонга все имеют лобовую норму конвергенции примерно 10 см/год. Контраст должен быть связан только с "обратной перемоткой" в конвергенции и на стержне. Если обратная перемотка быстрее чем норма конвергенции, тогда возникает результат экстенсии back-arc; если медленнее, то происходит сжатие (компрессия) дуги back-arc.
Обратная перемотка (roll-back) может быть определена возрастом субдукцирующейся литосферы (Molnar и Atwater, 1978). Старая холодная литосфера более плотна и субдукцируется под более крутым углом и, возможно, берет меньше времени для достижения 650-километровой зоны неоднородности. Если этого не произойдет, будет спровоцирован восходящий вихревой поток этой неоднородности (см. эксперименты Kinkaid и Olsen, 1987), что вызовет обратную перемотку в зоне субдукции, давая место экстенсиональной тектонике. Однако в случае более мелкой угловой субдукции и более молодой и теплой литосферой плите нужно больше времени для достижения зоны неоднородности в 650 км. Ее нагрев будет больше и она уже менее способна вызвать эффект обратной перемотки. В этом случае сомнительно искать экстенсию. Существует и дополнительный фактор - в восточном Tихом океане Американская плита наезжает на плиту Nazca из-за открытия Атлантики, хотя эта норма является весьма малой.

Более широкие значения этих факторов:
Если баланс между сжатием (компрессией)и расширением (экстенсией) в конвергентных краях плиты связан с глубиной падения плиты (related to dip of slab) и, следовательно, с возрастом субдукцирующейся литосферы, то это может объяснить, почему внутриокеанские островные дуги острова - по существу явление фанерозоя и редки или полностью отсутствуют в середнем и раннем докембрии. Высокие тепловые градиенты в докембрии означали бы большую длину хребта и меньший размер плит (см. Hargraves, 1986)

Продолжение статьи
Модель Марианской дуги
ТЕРМАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ЗОН СУБДУКЦИИ
СУДЬБА ОТЛОЖЕНИЙ В ЗОНАХ СУБДУКЦИИ. ТЕРРЕЙН.
Функционирование Зон Субдукции