Зоны субдукции являются одними из самых динамичных и последовательных особенностей на Земле. Они представляют собой основной двигатель тектоники плит, где одна литосферная плита скользит под другой и спускается в мантию. Этот процесс приводит к внутренней переработке планеты, генерирует крупнейшие землетрясения, питает дуговой вулканизм и строит некоторые из самых драматических рельефов на поверхности, от глубоких океанских траншей до высоких горных хребтов. Понимание зон субдукции имеет важное значение не только для понимания геологического прошлого и настоящего Земли, но и для оценки природных опасностей, которые угрожают миллионам людей, живущих вблизи сходящихся границ плит. В этой статье исследуется механика субдукции, различные геологические особенности, которые она создает, и ее глубокая роль в формировании рельефа на протяжении миллионов лет.

Что такое зоны субдукции? Механика потребления плит

Зоны субдукции возникают на сходящихся границах плит, где две тектонические плиты движутся друг к другу. Поскольку общая площадь поверхности Земли остается постоянной, столкновение должно быть улажено одной пластиной, погружающейся обратно в мантию. Нисходящая пластина почти всегда является океанической пластиной - плотной, холодной и состоящей в основном из базальта - что позволяет ей быть тягой под более легкой пластиной, которая может быть либо океанической, либо континентальной. Точка, где нисходящая пластина начинает свое нисходящее путешествие, отмечена глубоким океаническим траншеем.

Погружение пластины тонет под углами, начиная от мелкого (около 25 градусов) до крутого (почти вертикально), в зависимости от таких факторов, как возраст и плотность плиты и скорость сходимости. По мере того, как плита опускается, она испытывает повышение температуры и давления, вызывая высвобождение воды и других летучих веществ из гидратированных минералов. Это высвобождение жидкости снижает температуру плавления накладного мантийного клина, генерируя магму, которая поднимается, чтобы питать вулканические дуги на перекрывающей плите. Зоны субдукции также генерируют огромный сейсмический стресс; заблокированный интерфейс между двумя пластинами может хранить упругий штамм в течение веков, прежде чем выпускать его в мегатрусовых землетрясениях.

Основные движущие силы субдукции

Субдукция не является пассивным процессом; она приводится в действие двумя первичными силами. Slab pull происходит потому, что холодная, плотная океаническая литосфера гравитационно неустойчива относительно лежащей в основе астеносферы. По мере того, как плита опускается, она тянет остальную часть пластины за собой, заставляя плиту тянуть доминирующую силу в тектонике плит. Slab suction относится к потоку в мантийном клине, индуцируемом тонущей плитой, который может дополнительно стягивать пластины вместе. Ridge push, сила от поднятых срединно-океанических хребтов, также вносит свой вклад, но является вторичной по отношению к тяге плиты. Примерно 90% движущей силы движения плиты происходит от тяги плиты, подчеркивая центральную роль субдукции в глобальной тектонической системе.

Виды зон субдукции

Зоны субдукции классифицируются по природе надводной плиты. Океано-океаническая субдукция происходит, когда одна океаническая плита ныряет под другую океаническую плиту, образуя траншею и островную дугу — например, Марианская впадина и Марианские острова. Океано-континентальная субдукция происходит, когда океаническая плита опускается под континентальную плиту, производя траншею, прибрежный горный хребет (континентальная вулканическая дуга) и часто значительный сейсмический пояс — классический пример — субдукция плиты Наска под Южноамериканской плитой, которая построила горы Анд.

Основные геологические особенности, создаваемые зонами субдукции

Зоны субдукции — это фабрики по созданию широкого спектра впечатляющих геологических особенностей.Каждая особенность является результатом определенной стадии или аспекта процесса субдукции, от первоначального изгиба плиты до окончательного таяния и извержения вулкана.

Глубокие океанские траншеи

Наиболее непосредственно очевидная особенность зоны субдукции — это глубокая океанская впадина. Траншеи — это длинные, узкие V-образные углубления на морском дне, которые отмечают поверхностное выражение границы субдукции. Они являются самыми глубокими частями океанов, часто превышающими 6000 метров в глубину. Марианская впадина, расположенная в западной части Тихого океана, является самой глубокой известной точкой на Земле, опускаясь примерно до 11 034 метров в глубине Челленджера. Траншеи образуются по мере того, как нисходящая плита изгибается вниз, создавая гибкий ров. Внешний склон траншеи испытывает протяженное разлом, в то время как внутренний склон (перекрывающаяся плита) является компрессионным и часто сильно деформируется, накапливая отложения, соскабливающиеся с нисходящей плиты в аккреционный клин.

  • Филиппинская впадина — крупная впадина в западной части Тихого океана, образованная субдукцией Филиппинской морской плиты и Евразийской плиты.
  • Тонжская впадина — вторая по глубине траншея (около 10 882 м), связанная с очень быстрой субдукцией и интенсивной сейсмической активностью.
  • Перу-Чили траншея — Проходит вдоль западного побережья Южной Америки, где плита Наска субдукция под южноамериканской плитой со скоростью около 7-8 см в год.

Вулканические дуги

Параллельно траншеи и обычно около 100-200 км внутри страны вулканические дуги развиваются как прямое следствие субдукции. По мере того, как нисходящая плита выпускает воду в накладывающийся мантийный клин, она вызывает частичное таяние перидотит мантии. Полученная магма, которая менее плотна, чем окружающая порода, поднимается через перекрывающую плиту, чтобы извергаться на поверхности, образуя цепь вулканов. Эти дуги могут быть островными дугами (океанско-океаническая субдукция) или континентальными дугами (океанско-континентальная субдукция).

Каскадная вулканическая арка на северо-западе Тихого океана Соединенных Штатов и Канады является ярким примером континентальной дуги. Она включает в себя активные вулканы, такие как гора Сент-Хеленс, гора Ренье и гора Шаста, все подпитываемые субдукцией плиты Хуан-де-Фука под североамериканской плитой. Извержение вулкана Сент-Хеленс в 1980 году было суровым напоминанием о силе вулканизма, связанного с субдукцией. На другой стороне Тихого океана Японский архипелаг [FLT: 2] является классической островной дуговой системой, образованной субдукцией тихоокеанской плиты под Филиппинской морской плитой и Амурской плитой.

Аккреционные клинья и бассейны Forearc

Не весь материал с нисходящей пластины спускается в мантию. По мере того, как океаническая плита изгибается и скользит в траншею, отложения (часто толщиной в тысячи метров) сбрасываются и аккреционные отложения снимаются и аккреционные отложения, образуя клиновидную массу, называемую аккреционную призму или аккреционный клин. Этот клин состоит из сильно деформированных и несформированных от тяги осадочных пород и фрагментов океанической коры. Со временем аккреционный клин может расти, создавая сложную геологическую структуру, которая может подниматься над уровнем моря в качестве прибрежного диапазона. Наклон аккреционного клина лежит в бассейне , области относительно низкого рельефа, которая собирает отложения, эродированные из вулканической дуги. Бассейн предплечья является важным структурным элементом, часто содержащим толстые последовательности осадочных пород, которые записывают историю зоны субдукции.

Зоны землетрясений и мегатресты

Зоны субдукции являются источником крупнейших землетрясений на Земле, известных как мегатрустные землетрясения. Они происходят вдоль заблокированного интерфейса между субдукционирующими и перекрывающимися плитами, называемыми сейсмогенной зоной. Стресс строит, когда плиты пытаются двигаться мимо друг друга, но застревают в результате трения. Когда накопленный стресс превышает силу разлома, плиты катастрофически проскальзывают, высвобождая энергию при массивном землетрясении. Момент магнитуды землетрясений в зоне субдукции могут достигать 9,0 или выше. Момент землетрясения в зоне субдукции 2004 года (M9.1) и землетрясение Тохоку 2011 года (M9.0) у Японии являются разрушительными примерами. Землетрясение Тохоку вызвало цунами, которое достигло высоты более 40 метров, вызвав широкое разрушение и подчеркнув опасность, создаваемую зонами субдукции.

Помимо событий мегатравмы, зоны субдукции производят и другие виды землетрясений: внутрислойные землетрясения в нисходящей плите (часто глубокие, до 700 км), и корковые землетрясения в перекрывающей плите.Глобальное распределение глубоких землетрясений картирует субдукционные плиты, обеспечивая трехмерную картину спуска плит.

Роль зон субдукции в развитии ландшафта

Процесс субдукции является основным фактором развития рельефа в геологических временных масштабах. Он строит горы, создает острова, изменяет береговые линии и формирует целые континентальные окраины. Следующие подразделы подчеркивают основные процессы формирования рельефа.

Горное здание (Orogenesis)

Когда океаническая плита субдуктов под континентальной плиты, сжимающие силы могут утолщать континентальную кору, приводя к образованию высоких горных хребтов. Однако, самое драматическое горное строительство происходит, когда две континентальные плиты сталкиваются - процесс, который является конечной стадией субдукции. Когда океаническая литосфера между двумя континентами была полностью субдукции, сами континенты сталкиваются, потому что континентальная кора слишком плавучая, чтобы субдукции. Это континентальное столкновение создает огромные горные пояса, такие как Гималаи и Альпы . Продолжающееся столкновение Индийской плиты с Евразийской плитой, которая началась около 50 миллионов лет назад, произвели самые высокие пики на Земле, включая гору Эверест (8 848 м. Гималаи все еще поднимаются со скоростью около 5 мм в год, демонстрируя устойчивую силу субдукции, связанной с орогенезом.

Формирование островных дуг и океанических островов

В океано-океанической субдукции вулканическая дуга возникает над поверхностью моря как цепь островов — островная дуга. Алеутские острова на Аляске, Марьяны и Малые Антильские острова в Карибском бассейне — все это примеры. Эти дуги могут расти в течение миллионов лет, при этом отдельные вулканы могут образовываться на морском дне посредством повторных извержений. Некоторые вулканы в островных дугах могут стать достаточно большими, чтобы сформировать крупные массивы суши, такие как Японские острова, которые являются сложным коллажем из аккреционных дуг и более старых континентальных фрагментов. Островные дуги также являются местами богатого биоразнообразия и уникальных экосистем, поскольку изоляция и разнообразные среды обитания управляют эволюционными процессами.

Изменения в прибрежной географии и подъеме

Зоны субдукции непосредственно изменяют прибрежную географию через подъем, оседание и накопление осадков. Сжатие перекрывающей плиты может вызвать подъем прибрежных территорий, поднимая морские террасы - старые платформы с вырезанием волн, теперь поднятые над уровнем моря. Побережье Чили показывает видные морские террасы, которые регистрируют повторяющиеся события подъема за последний миллион лет. Напротив, части бассейна предплечья могут подвергаться оседаниям, создавая прибрежные заливы или углубляя морские бассейны. Крупные землетрясения могут вызвать внезапные вертикальные перемещения береговой линии: землетрясение Мауле в 2010 году в Чили подняло части побережья на 2 метра, в то время как землетрясение Тохоку 2011 года вызвало широкое оседание около 1 метра вдоль участков японского побережья. Эти быстрые изменения изменяют гавани, водно-болотные угодья и инфраструктуру человека.

Транспорт осадка и формирование бассейна

Зоны субдукции являются основными поглотителями для осадка. Реки, осушающие континентальные интерьеры, несут огромное количество осадка в траншею, где он либо аккреционируется, либо субдукционируется. Бассейн , где добывается осадок, полученный из вулканической дуги и континента, образуя важные осадочные последовательности, которые могут стать резервуарными породами для нефти и газа. аккреционный клин ] сам по себе является структурно сложной зоной деформированных осадков, которые могут развиться в прибрежный горный хребет, такой как Барисанский хребет на Суматре или Олимпийские горы в штате Вашингтон, которые построены в основном из скал, аккреционированных за последние 20 миллионов лет.

Региональные примеры развития рельефа зоны субдукции

Анды: континентальный пояс горных дуг

Анды — самый длинный континентальный горный пояс в мире, простирающийся на 7000 км вдоль западного края Южной Америки. Они являются прямым продуктом субдукции плиты Наска под Южноамериканской плитой. Анды состоят не из одной цепи, а из серии параллельных горных хребтов (кордильер), разделенных высокими плато и глубокими долинами. Центральные Анды содержат Альтиплано-Пуна-Плато, второе по величине высокое плато на Земле после Тибета, которое сформировалось из-за утолщения коры и мантийных процессов, связанных с субдукцией. Анды вулканически активны, с более чем 200 исторически активными вулканами, и испытывают частые крупные землетрясения. Андский горный пояс продолжает расти по мере того, как субдукция и укорочение коры сохраняются.

Япония: сложная система островных дуг

Японский архипелаг является продуктом нескольких зон субдукции. Подводная плита Тихого океана под северо-восточной Японией, в то время как подводная плита Филиппинского моря под юго-западной Японией. Эта двойная субдукция создала сложную тектоническую обстановку с вулканическими дугами, глубокими траншеями (Японская впадина, Нанкайское желоба) и высоким уровнем сейсмической и вулканической активности. Горная местность Японии, с более чем 70% ее земельной площади, классифицированной как крутые склоны, в значительной степени является результатом подпитки и вулканизма. Гора Фудзи (3 776 м), самая высокая вершина Японии, является стратовулканом, сформированным над субдукцией Филиппинской морской плиты. Частые землетрясения и цунами страны являются прямым следствием ее местоположения на этих зонах субдукции.

Значение зон субдукции: опасности и ресурсы

Геологические опасности

Зоны субдукции представляют собой самые серьезные природные опасности на планете. Землетрясения мегатруса являются крупнейшими и наиболее разрушительными, способными вызывать широко распространенное сотрясение, сжижение и оползни. Они также генерируют цунами , которые могут пересекать целые океанские бассейны, как видно из цунами в Индийском океане в 2004 году и цунами в Тохоку в 2011 году. Зоны субдукции также ответственны за большинство взрывных извержений вулканов в мире, которые могут выбрасывать пепел высоко в атмосферу, нарушать воздушные путешествия и влиять на глобальный климат. Понимание интервалов повторения и разрыва моделей землетрясений в зоне субдукции является основным фокусом современной сейсмологии и готовности к стихийным бедствиям.

Экономическое и социальное значение

Зоны субдукции также создают ценные ресурсы. Тепло, связанное с магматической активностью, генерирует геотермальную энергию, которая используется в таких странах, как Япония, Индонезия, Новая Зеландия и западные Соединенные Штаты. Вулканические и гидротермальные системы субдукции также ответственны за образование многих типов минеральных месторождений , включая месторождения порфировой меди (например, в Чили и Перу) и золото-серебряные вены. Аккреционные клинья и бассейны предплечья могут содержать скопления нефтелея, особенно в бассейнах предплечья, которые были заполнены богатыми органическими осадками. Таким образом, зоны субдукции являются не только опасностями, но и основами для экономической деятельности и производства энергии.

Заключение

Зоны субдукции являются наиболее мощным выражением тектоники плит в действии. Они перерабатывают океанскую кору в мантию, строят возвышающиеся горы и вулканические островные дуги, генерируют крупнейшие землетрясения и цунами, создают плодородные почвы и богатые минеральные отложения. Глубокие океанские траншеи, вулканические дуги и пояса землетрясений, которые определяют зоны субдукции, являются видимым свидетельством динамической системы Земли на работе. От Марианской впадины до Гималаев зоны субдукции формировали географию планеты в течение миллиардов лет и продолжают трансформировать ее сегодня. По мере того, как наша способность контролировать эти зоны улучшается - через сейсмологию, геодезию GPS и обсерватории морского дна - мы получаем более глубокое понимание их поведения и лучшую способность прогнозировать опасности, которые они производят. Изучение зон субдукции остается центральным столпом геологии, необходимым для интерпретации прошлого Земли и подготовки к ее будущему.

Внешние ссылки для дальнейшего чтения: