Зоны субдукции

Зоны субдукции — это линейно протяжённые области на границах литосферных плит, где одна тектоническая плита погружается под другую и опускается в мантию Земли. Зоны субдукции являются одним из трёх основных типов конвергентных (сходящихся) границ плит, наряду с коллизией (столкновением континентальных плит) и обдукцией (надвиганием океанической коры на континентальную). В этих зонах происходит переработка вещества океанической коры, формирование глубоководных желобов, островных дуг и активных континентальных окраин, а также генерируется большая часть землетрясений и вулканической активности на планете.

История изучения

Концепция субдукции возникла в 1960-х годах в рамках теории тектоники литосферных плит. Термин «субдукция» (от лат. subductio — «отведение», «увод») был введён американским геофизиком Робертом Коутсом в 1962 году для описания процесса погружения океанической коры под континентальную. Ключевые открытия, подтвердившие существование субдукции, были сделаны при анализе сейсмических данных. В 1935 году японский сейсмолог Киёо Вадати обнаружил наклонные зоны землетрясений, уходящие в мантию под Японскими островами. Позднее, в 1950-х годах, американский геофизик Хуго Беньофф независимо описал аналогичные сейсмические зоны под островными дугами. Эти структуры получили название зон Вадати — Беньоффа и стали прямым доказательством погружения плит.

В 1968 году американские геологи У. Джейсон Морган, Ксавье Ле Пишон и Дэн Маккензи разработали математическую модель движения литосферных плит, в которой субдукция играла центральную роль. В 1970-х годах были проведены первые детальные сейсмические профилирования глубоководных желобов, позволившие визуализировать процесс погружения плит. В 1980-х годах с помощью сейсмической томографии были обнаружены фрагменты погружённых плит («слэбы») в нижней мантии, что подтвердило глубину субдукции.

Механизм и движущие силы

Субдукция возникает из-за различий в плотности и температуре литосферных плит. Океаническая литосфера, формирующаяся в срединно-океанических хребтах, по мере удаления от них остывает, уплотняется и становится тяжелее. Через 10–20 миллионов лет после образования её плотность превышает плотность подстилающей астеносферы. Основной движущей силой субдукции является отрицательная плавучесть погружающейся плиты — так называемый «слэб-пулл» (slab pull). Этот механизм обеспечивает около 90 % энергии, движущей тектонические плиты.

Погружение начинается в глубоководном желобе — узкой впадине на дне океана глубиной до 11 км (например, Марианский жёлоб). Угол наклона погружающейся плиты варьируется от 10° до 90° и зависит от её возраста, скорости движения и вязкости мантии. Молодые, горячие плиты (возрастом менее 50 млн лет) погружаются под малыми углами (10–30°), тогда как старые, холодные плиты (возрастом более 100 млн лет) — под крутыми углами (45–90°).

Геологическое строение зон субдукции

Типичная зона субдукции включает несколько характерных элементов:

• Глубоководный жёлоб — внешняя граница зоны, где океаническая плита начинает изгибаться перед погружением. Здесь накапливаются осадки, сдираемые с погружающейся плиты (аккреционный клин).
• Аккреционный клин — призма из деформированных осадочных пород и фрагментов океанической коры, наращивающаяся на краю висячей плиты.
• Висячая плита — верхняя плита, под которую происходит погружение. Она может быть континентальной (образуя активную континентальную окраину, например, Анды) или океанической (образуя островную дугу, например, Курильские острова).
• Зона Вадати — Беньоффа — наклонная сейсмическая зона, маркирующая погружающуюся плиту на глубинах от 10 до 700 км.
• Вулканическая дуга — цепь вулканов, расположенная на расстоянии 100–300 км от жёлоба, образованная плавлением пород над погружающейся плитой.
• Задуговой бассейн — область растяжения коры за вулканической дугой (например, Охотское море).

Типы субдукции

По типу взаимодействующих плит выделяют два основных типа субдукции:

1. Океаническая-континентальная субдукция: океаническая плита погружается под континентальную. Примеры: зона субдукции плиты Наска под Южно-Американскую плиту (Анды), зона субдукции Тихоокеанской плиты под Северо-Американскую плиту (Аляска).
2. Океаническая-океаническая субдукция: одна океаническая плита погружается под другую океаническую. Примеры: зона субдукции Тихоокеанской плиты под Филиппинскую плиту (Марианская дуга), зона субдукции Индо-Австралийской плиты под Евразийскую плиту (Зондская дуга).

По углу наклона погружающейся плиты различают:

• Крутая субдукция (угол > 30°) — характерна для старых, холодных плит. Сопровождается интенсивным вулканизмом и глубокими землетрясениями.
• Пологие субдукции (угол < 30°) — характерны для молодых, горячих плит. Вулканизм может отсутствовать или быть слабым, а сейсмичность распространяется далеко вглубь континента (например, субдукция плиты Хуан-де-Фука под Северо-Американскую плиту).

Сейсмичность и вулканизм

Зоны субдукции являются источником наиболее мощных землетрясений на Земле — так называемых мегаземлетрясений. Они происходят на контакте между погружающейся и висячей плитами (межплитовые землетрясения) и могут достигать магнитуды 9,0–9,5 (например, землетрясение в Японии 2011 года, магнитуда 9,1). Глубина очагов варьируется от 10 до 700 км. Землетрясения в зонах Вадати — Беньоффа возникают вследствие деформаций и фазовых переходов в погружающейся плите.

Вулканизм в зонах субдукции обусловлен плавлением пород мантийного клина над погружающейся плитой. При погружении плита выделяет воду и летучие компоненты, которые понижают температуру плавления мантийных пород. Образующаяся магма имеет преимущественно андезитовый и дацитовый состав, что обуславливает высокую взрывоопасность субдукционных вулканов. Типичные примеры: вулкан Кракатау (Индонезия), вулкан Сент-Хеленс (США), вулкан Ключевская Сопка (Россия, Камчатка). В России зоны субдукции Тихоокеанского огненного кольца определяют высокую сейсмическую и вулканическую активность Курильских островов и полуострова Камчатка.

Геохимические процессы

Субдукция играет ключевую роль в глобальном геохимическом цикле. Погружающаяся плита переносит в мантию воду, углекислый газ, серу и другие летучие компоненты, захороненные в осадках и базальтах. По оценкам, в зонах субдукции ежегодно погружается около 1–2 км³ осадков и до 10¹⁵ г воды. Часть этих веществ возвращается на поверхность через вулканические извержения, а часть уходит в глубокую мантию, участвуя в формировании мантийных резервуаров.

В зонах субдукции происходит метаморфизм пород погружающейся плиты — образование глаукофановых сланцев и эклогитов. Эти процессы сопровождаются дегидратацией минералов (например, серпентина и амфибола), что вызывает землетрясения на глубинах 30–200 км.

Примеры современных зон субдукции

Наиболее протяжённая система зон субдукции — Тихоокеанское огненное кольцо, опоясывающее Тихий океан. Оно включает:

• Зона субдукции Японского жёлоба — Тихоокеанская плита погружается под Охотскую плиту. Ответственна за землетрясение 2011 года и цунами.
• Зона субдукции Курило-Камчатского жёлоба — Тихоокеанская плита погружается под Охотскую плиту. Вулканизм Камчатки и Курил.
• Зона субдукции плиты Наска — погружается под Южно-Американскую плиту. Формирует Анды и вызывает мощные землетрясения (например, в Чили 1960 года, магнитуда 9,5 — сильнейшее за историю наблюдений).
• Зона субдукции Зондского жёлоба — Индо-Австралийская плита погружается под Евразийскую плиту. Ответственна за землетрясение и цунами 2004 года в Индийском океане.

Другие известные зоны: Алеутский жёлоб, Тонга-Кермадек, Скотия, Малые Антильские острова.

Значение для геологии и человечества

Зоны субдукции являются главным механизмом обновления океанической коры: за счёт субдукции ежегодно уничтожается около 3 км² океанической литосферы, что компенсируется её образованием в срединно-океанических хребтах. Субдукция ответственна за формирование континентальной коры через вулканические дуги и аккрецию осадков. Она также контролирует глобальный климат, регулируя содержание CO₂ в атмосфере через вулканические выбросы и карбонатную субдукцию.

Для человечества зоны субдукции представляют собой зоны повышенной опасности. Мегаземлетрясения вызывают разрушительные цунами, а вулканические извержения — выбросы пепла и пирокластические потоки. В то же время в зонах субдукции формируются крупные месторождения полезных ископаемых: медно-порфировые руды, золото, серебро, молибден (например, месторождения Чили и Индонезии). Геотермальная энергия вулканических дуг используется для производства электроэнергии (Камчатка, Исландия, Япония).

Источники

• Тектоника литосферных плит / Под ред. В. Е. Хаина. — М.: Наука, 1990.
• Stern, R. J. (2002). Subduction zones. Reviews of Geophysics, 40(4), 3-1–3-38.
• Tatsumi, Y. (2005). The subduction factory: How it operates in the evolving Earth. GSA Today, 15(7), 4–10.
• Геология и геофизика зон субдукции / Под ред. Г. С. Гусева. — Владивосток: ДВО РАН, 2008.
• Хаин, В. Е., Ломизе, М. Г. (2005). Геотектоника с основами геодинамики. — М.: КДУ.