11.1. Субдукция
11.1.3. Геофизическое выражение
Геофизические методы являются основными методами изучения зон субдукции. Это связано, прежде всего, с недостаточной информативностью прямых геологических методов, учитывая развитие на больших площадях зон влияния субдукции морских бассейнов и значительную глубину погружения литосферных пластин (в отдельных зонах – до 2900 км, т.е. до кровли ядра Земли), а также хорошим выражением субдукционных зон в геофизических полях. Информативную взаимно дополняющую информацию дают методы геотермии, магнитотеллурического зондирования, гравиметрии, магнитометрии и, в особенности, сейсмометрические и сейсмологические методы. Данные последних методов и будут ниже рассмотрены.
Многоканальное сейсмопрофилирование дает структурные профили зон субдукции до глубин в несколько десятков километров при высокой разрешающей способности. На профилях довольно отчетливо бывают проявлены сместитель зоны субдукции (англ. detachment, decollement) и внутреннее строение литосферных плит по обе стороны от сместителя (рис. 11.14).
Рис. 11.14. Строение аккреционной призмы по данным сейсмопрофилирования.
Методами сейсмической томографии возможно получение трехмерного изображения скоростной неоднородности мантии. Это позволяет обособить слэб, выявить характер и глубину его погружения, особенности взаимодействия с сейсмическими границами на глубинных уровнях 410 и 670 км; выделить ослабленные зоны, обычно проявляющиеся пониженными сейсмическими скоростями, которые часто являются областями формирования магм и флюидов, и путями их подъема к поверхности (рис. 11.15).
Рис. 11.15. Сейсмотомографические профили зон субдукции.
Крайне важное значение имеет выявляемое сейсмологическими наблюдениями распределение очагов землетрясений, которые активно проявляются в зонах субдукции и сопровождают слэб до разных глубин, максимально – до 700 км (в единичных случаях 800-850 км), формируя наклонные сейсмофокальные зоны, обычно именуемые зонами Беньофа (рис. 11.16).
Рис. 11.16. Распределение очагов землетрясений на дивергентных и конвергентных (субдукционных) границах плит.
Зоны Беньофа
Вследствие конвергентного взаимодействия плит, при котором одна из них испытывает погружение под другую, создаются значительные сжимающие напряжения (усилия), которые и обусловливают повышенную сейсмичность зон субдукции. Вообще, до 80-90 % современной сейсмической энергии Земли выделяется именно в таких зонах (рис. 11.17, рис. 11.18), где подавляющая часть очагов землетрясений тяготеет к сместителю субдукции и локализуется в субдуцируемой плите (слэбе) (см. рис. 11.16).
Рис. 11.17. Глобальное распределение очагов землетрясений и их глубинность.
Рис. 11.18. Сейсмичность северного полушария.
Зоны Беньофа обладают довольно широкими вариациями глубин проникновения, углов падения и внутреннего строения.
Глубинность сейсмофокальных зон Беньофа определяется, в первую очередь, возрастом субдуцирующей плиты (от которой, как указывалось, зависит её мощность и плотность) и скоростью субдукции. Чем выше значения этих параметров, тем более глубинной является зона Беньофа (на большей глубине проявляется сейсмичность). Такая закономерность связана с тем, что с увеличением глубины (и параллельно температуры), происходит снижение упругих свойств слэбов (их жесткости или добротности) и силы их сцепления с материалом висячего крыла, соответственно, постепенно перестает генерироваться и сейсмическая энергия. Повышенные же значения скорости субдукции, мощности и плотности субдуцируемой плиты способствуют сохранению упругих свойств слэбов до больших глубин. В связи с этим, максимальной глубиной проникновения (700, 850 км) отличаются сейсмофокальные зоны по западной периферии Тихого океана (Японская, Марианская, Тонга, Кермадек, Идзу-Бонинская), где субдуцирует с довольно высокими скоростями (5-10 см/год) Тихоокеанская плита с возрастом 120-150 млн. лет. Погружение молодых плит сопровождается сейсмичностью до глубин обычно 100-200 км, далее субдукция идет как асейсмичный процесс (погружение плит Хуан-де-Фука, Кокос с возрастом 8-23 млн. лет и скоростью – 3,4-7,2 см/год). Закономерное увеличение глубин сейсмических очагов по падению зон субдукции ярко проявляется на картах размещения эпицентров землетрясений (рис. 11.19).
Рис. 11.19. Расположение гипо- (а) и эпицентров (б, в) землетрясений.
Поперечный профиль сейсмофокальных зон Беньофа достаточно изменчив (рис. 11.20).
Рис. 11.20. Профили сейсмофокальных зон Беньофа.
Общим для них является то, что в приповерхностной части они имеют небольшие углы наклона (10-350), которые с глубиной увеличиваются вплоть до 900. Наклон верхней части зон Беньофа зависит, как и в предыдущем случае, от скорости конвергенции и возраста субдуцирующей литосферы. При этом повышенные значения первого параметра ведут к выполаживанию сейсмофокальной зоны, а второго – к увеличению её крутизны. Возрастание угла наклона зоны Беньофа с глубиной связывают с уплотнением материала слэбов, вызванным его дегидратацией и проявлением фазовых переходов. Предполагается, что на глубинах 40-60 км базальты и габбро океанской коры субдуцированной плиты переходят в эклогиты , при этом плотность увеличивается на 20-30 %, что создает дополнительные, направленные вниз, напряжения. На глубинах 350-400 км оливин (основной минерал перидотитов слэба) переходит в шпинель, что ведет к уплотнению на 8-10 %.
Максимальная глубинность сейсмофокальных зон Беньофа составляет 700 км, но многие зоны субдукции имеют более значительную глубину проникновения, где погружение уже не сопровождается генерацией сейсмической энергии (рис. 11.21).
Рис. 11.21. Сейсмотомографический разрез Зондской зоны субдукции.
Развитие сейсмологических методов привело к возможности выявления ориентировки главных осей напряжения в очагах землетрясений, что позволяет определить направление растяжения (сжатия) или сдвиговых усилий в области очага, а следовательно и внутреннее строение сейсмофокальных зон.
В приповерхностной зоне – под глубоководным желобом, а нередко и на его океанском обрамлении – очаги размещаются внутри литосферы, главным образом в её верхах (растяжение), реже – в средней части (сжатие). Напряжения ориентированы полого вкрест простирания желоба и обусловлены упругим изгибом литосферы перед её погружением в зону субдукции. Далее, вниз по зоне Беньофа, на протяжении нескольких десятков километров сосредоточена максимальная сейсмическая активность, приуроченная к контакту (сместителю) взаимодействующих плит, преобладают очаги типа пологих надвигов (сжатие). Глубже, где слэб выходит из соприкосновения с висячим литосферным крылом и погружается в астеносферу, все очаги снова находятся внутри субдуцирующей плиты. Эти очаги фиксируют сжатие или растяжение, направленные по наклону слэба. Наконец, еще глубже зона Беньофа продолжается цепочкой очагов в верхней части слэба, формирующихся в условиях сжатия вдоль его наклона (рис. 11.22).
Рис. 11.22. Расположение сейсмических очагов и их фокальные механизмы в верхней части зоны субдукции.
Смена напряжений сжатия и растяжения на астеносферных и подастеносферных глубинных уровнях связывается с сокращением объема пород при ранее указанных фазовых переходах (сжатие), термическим расширением пород по мере их углубления (растяжение) и влиянием фронтальной части слэба, движение которого обычно замедляется в связи с увеличением вязкости мантии с глубиной (сжатие).
В субдукционных областях сейсмичность проявляется и над зонами Беньофа, т.е. в висячем крыле субдукции. Но её масштаб не сравним с энергетическим потенциалом зон Беньофа. В островодужных системах это малоглубинные – до 30 км (очень редко 60-70 км) – очаги, на континентальных окраинах андского типа глубина очагов может достигать 100 км. Подавляющая часть очагов характеризуется субгоризонтальным сжатием или растяжением, ориентированными вкрест простирания зон субдукции.