Жер қабығының астына түсу процесі

Кіріспе

Конвергентті тектоникалық пластиналар шекарасындағы бір пластинканың екіншісінің астына жылжуымен жүзеге асатын геологиялық процесс – субдукция.

Субдукция – мұхиттық литосфераның және кейбір континенттік литосфераның конвергентті шекараларда Жердің мантиясына қайта сіңірілуіне алып келетін геологиялық процесс. Тектоникалық пластинаның мұхиттық литосферасы екінші пластинаның азырақ тығыз литосферасымен түйіскенде, ауыр пластина екінші пластинаның астына батып, мантияға үңіліп кіреді. Бұл процесс жүзеге асылатын аймақ субдукция аймағы деп аталады, ал оның жер бетіндегі көрінісі – доға тәрізді траншеялық кешен. Субдукция процесі Жердің континенттік қабығының көп бөлігінің қалыптасуына себеп болды. Субдукция жылдамдығы әдетте жылдық сантиметрлермен өлшенеді, ал конвергенция жылдамдығы жылына 11 см-ге дейін жетеді. Субдукцияның мүмкін болуының себебі – суық мұхиттық литосфераның астыңғы астеносферадан сәл тығыздығы жоғары болуы, ал астеносфера – Жердің жоғарғы мантиясындағы ыстық, иілгіш қабат, ол суық, қатты литосфераның астында орналасқан. Бір рет басталып кеткен тұрақты субдукция көбінесе тығыз субдукцияланатын литосфераның теріс серпімділігімен қамтамасыз етіледі. Плитаның салмағы салдарынан мантияға батып сіңеді. Жер сілкініштері субдукция аймағында жиі болады, ал субдукцияланатын пластинадан бөлінетін сұйықтықтар үстіңгі пластинадағы вулканизмді тудырады. Егер субдукцияланатын пластина көлбеу бұрышпен батса, үстіңгі пластинада қабықтың қалыңдауымен, тау пайда болуымен және метаморфизммен сипатталатын деформация белдеуі қалыптасады. Тік бұрыштағы субдукция артқы доға алаптарының пайда болуымен ерекшеленеді.

Субдукция және плиталар тектоникасы

Плиталар тектоникасы теориясына сәйкес, Жердің литосферасы, оның қатты сыртқы қабығы, он алты ірі тектоникалық плита мен бірнеше кішірек плитаға бөлінген. Бұл плиталар баяу қозғалады, негізінен литосфераның батып кету күшінің әсерінен. Субдукция аймақтарында батып кетуге ұшыраған литосфера төменгі мантиядағы конвекциялық жасушалардың бір бөлігі болып табылады. Бұл конвекция процесі радиоактивті ыдыраудан пайда болатын жылудың Жердің ішкі қабатынан шығуына мүмкіндік береді. Литосфера ең сыртқы жеңіл қабықтан және мантияның ең жоғарғы қатты бөлігінен тұрады. Мұхиттық литосфераның қалыңдығы жас литосфера үшін, мұхит орталық тізбектерінде пайда болатыны үшін бірнеше километрден басталып, ең көне мұхиттық литосфера үшін шамамен … дейін жетеді. Құрлықтық литосфераның қалыңдығы … дейін жетеді. Литосфера астеносферамен салыстырғанда салыстырмалы түрде суық және қатты, сондықтан тектоникалық плиталар астеносфераның үстінде қатты денелер ретінде қозғалады. Жеке плиталар көбінесе мұхиттық және құрлықтық литосфераның екі аймағын қамтиды. Субдукция аймақтарында мұхиттың суық литосферасы мантияға батып, қайта өңделеді. Олар конвергентті плита шекараларында кездеседі, онда бір плитаның мұхиттық литосферасы басқа плитаның аз тығыздығы бар литосферасымен түйіседі. Ауыр мұхиттық литосфера екінші плитаның алдыңғы жиегімен жабылады. Жабылатын плита (плиталық бөлік) Жер бетіне 25-75 градус бұрышпен мантияға батып кетеді. Бұл бату плита мен оны қоршаған астеносфера арасындағы температура айырмасымен шақырылады, себебі мұхиттың суық литосферасы орташа есеппен жоғары тығыздыққа ие. Седименттер мен тұтқынға түскен су плитамен бірге төмен қарай апарылып, терең мантияға қайта өңделеді. Қазірге дейін Жер ғана субдукцияның орын алатындығы белгілі болған планета, ал субдукция аймақтары оның ең маңызды тектоникалық ерекшелігі болып табылады. Субдукция плиталар тектоникасының қозғаушы күші, олсыз плиталар тектоникасы мүмкін емес. Мұхиттық субдукция аймақтары конвергентті плита шеттері бойында орналасқан, бұл шамамен мұхит орталық тізбектеріндегі жинақталған плиталардың түзілу жылдамдығына тең. Теңіз суы сынықтар мен тесіктер арқылы мұхиттық литосфераға сіңіп, жер қабығы мен мантиядағы минералдармен әрекеттесіп, сулы минералдарды (мысалы, серпентин) құрайды, олар суды кристалдық құрылымдарында сақтайды. Су субдукциялық плиталар арқылы сулы минералдар арқылы терең мантияға тасымалданады. Субдукция кезінде осы плиталардағы серпентин сияқты минералдардың сериясы плитаның геотермиялық градиентіндегі әртүрлі қысымда тұрақты болуы мүмкін және Жердің ішкі қабатына судың маңызды мөлшерін тасымалдауы мүмкін. Плиталар батқанда және қызғанда босаған сұйықтықтар сейсмикалық белсенділікті тудыруы және су астында қалған плитаның ішінде және мантияның үстіндегі балқытуды шақыруы мүмкін. Бұл балқыту түрі ұшқыш заттарды іріктеп шоғырландырады және оларды үстіндегі плитаға тасымалдайды. Егер жарылыс орын алса, цикл ұшқыш заттарды мұхит пен атмосфераға қайтарады.

According to the theory of plate tectonics, the Earth's lithosphere, its rigid outer shell, is broken into sixteen larger tectonic plates and several smaller plates. These plates are in slow motion, due mostly to the pull force of subducting lithosphere. Sinking lithosphere at subduction zones are a part of convection cells in the underlying ductile mantle. This process of convection allows heat generated by radioactive decay to escape from the Earth's interior. The lithosphere consists of the outermost light crust plus the uppermost rigid portion of the mantle. Oceanic lithosphere ranges in thickness from just a few km for young lithosphere created at mid ocean ridges to around for the oldest oceanic lithosphere. Continental lithosphere is up to thick. The lithosphere is relatively cold and rigid compared with the underlying asthenosphere, and so tectonic plates move as solid bodies atop the asthenosphere. Individual plates often include both regions of the oceanic lithosphere and continental lithosphere. Subduction zones are where the cold oceanic lithosphere sinks back into the mantle and is recycled. They are found at convergent plate boundaries, where the oceanic lithosphere of one plate converges with the less dense lithosphere of another plate. The heavier oceanic lithosphere is overridden by the leading edge of the other plate. The overridden plate (the slab) sinks at an angle of approximately 25 to 75 degrees to Earth's surface. This sinking is driven by the temperature difference between the slab and the surrounding asthenosphere, as the colder oceanic lithosphere has, on average, a greater density. Sediments and some trapped water are carried downwards by the slab and recycled into the deep mantle. Earth is so far the only planet where subduction is known to occur, and subduction zones are its most important tectonic feature. Subduction is the driving force behind plate tectonics, and without it, plate tectonics could not occur. Oceanic subduction zones are located along convergent plate margins, almost equal to the cumulative plate formation rate of mid ocean ridges. Sea water seeps into oceanic lithosphere through fractures and pores, and reacts with minerals in the crust and mantle to form hydrous minerals (such as serpentine) that store water in their crystal structures. Water is transported into the deep mantle via hydrous minerals in subducting slabs. During subduction, a series of minerals in these slabs such as serpentine can be stable at different pressures within the slab geotherms, and may transport significant amount of water into the Earth's interior. As plates sink and heat up, released fluids can trigger seismicity and induce melting within the subducted plate and in the overlying mantle wedge. This type of melting selectively concentrates volatiles and transports them into the overlying plate. If an eruption occurs, the cycle then returns the volatiles into the oceans and atmosphere

Аркалық траншеялар кешені

Субдукциялық аймақтардың жер бетіндегі көрінісі – доға тәрізді ор қабаттары болып табылады. Қабаттың мұхит жағында, субдукцияланатын тақта алғаш рет субдукциялық аймаққа жақындасатын жерде, көбінесе сыртқы ор биіктігі немесе сыртқы ор дөңгелегі кездеседі. Мұнда тақта, тақтаның беріктігінің нәтижесінде, төмен қарай батуға дейін сәл көтеріледі. Тақтаның төмен қарай батуы басталатын жер мұхиттық ормен белгіленеді. Мұхиттық орлар – мұхит түбінің ең терең бөліктері. Ордан кейін, үстіне жатқан тақтаның алдыңғы бөлігі орналасқан. Шөгінділердің жиналу жылдамдығына байланысты, алдыңғы доғада субдукцияланатын тақтадан сыпырылып алынған және үстіне жатқан тақтаға қосылған шөгінділердің жиналу конусы болуы мүмкін. Дегенмен, барлық доға тәрізді ор қабаттарында жиналу конусы болмайды. Жиналу доғаларында жиналу конусының артында жақсы дамыған алдыңғы доға алабы болады, ал жиналмаған доғаларда алдыңғы доға алабы нашар дамыған. Алдыңғы доғадан тыс жерде жанартаулар ұзын тізбектерде орналасқан, олар жанартаулық доғалар деп аталады. Субдукцияланатын базальт пен шөгінділер әдетте сулы минералдар мен сазға бай болады. Сонымен қатар, судың көп мөлшері субдукцияланатын тақта төмен қарай иілгенде пайда болатын жарықтар мен сынықтарға енгізіледі. Базальттан эклогитке ауысу кезінде бұл сулы материалдар ыдырайды, көп мөлшерде су шығарады, ол осындай үлкен қысым мен температурада суперкритикалық сұйықтық түрінде болады. Қоршаған тау жынысынан ыстық және жеңіл болатын суперкритикалық су, оның үстіндегі мантияға көтеріледі, онда ол мантия тау жынысының балқу температурасын төмендетеді, флюидтік балқу арқылы магманы жасайды. Магмалар, мантия тау жынысынан тығыздығы аз болғандықтан, диапирлер түрінде көтеріледі. Мантиядан алынған магма (бастапқыда базальтты құрамда) ақырында Жер бетіне жетеді, нәтижесінде жанартау жарылыстары болады. Лаваның химиялық құрамы жер қыртысымен өзара әрекеттесуіне (балуына) немесе фракциялық кристалдануына байланысты. Доға тәрізді жанартаулар суға (тақта мен шөгінділерден) бай болғандықтан және өте жарылғыш болғандықтан қауіпті жарылыстарға бейім. Кракатоо, Невадо-дель-Руис және Везувий тауы – доға тәрізді жанартаулардың мысалдары. Доғалар сонымен қатар көптеген кен орындарымен байланысты. Жанартаулық доғадан тыс жерде артқы доға аймағы бар, оның сипаттамасы субдукцияланатын тақтаның бату бұрышына күшті байланысты. Бұл бұрыш шалқа болған кезде, субдукцияланатын тақта үстіндегі құрлықтық қабықты ішінара өзімен бірге сүйрейді, бұл қысқару және қабықтың қалыңдану аймағын жасайды, онда кеңінен бүктелу және итеру қабаттары болуы мүмкін. Егер субдукция бұрышы тіктелсе немесе кері бұрылса, үстіңгі тақта литосферасы кернеуге түседі, көбінесе артқы доға алабы пайда болады.

The surface expressions of subduction zones are arc trench complexes. On the ocean side of the complex, where the subducting plate first approaches the subduction zone, there is often an outer trench high or outer trench swell. Here the plate shallows slightly before plunging downwards, as a consequence of the rigidity of the plate. The point where the slab begins to plunge downwards is marked by an oceanic trench. Oceanic trenches are the deepest parts of the ocean floor. Beyond the trench is the forearc portion of the overriding plate. Depending on sedimentation rates, the forearc may include an accretionary wedge of sediments scraped off the subducting slab and accreted to the overriding plate. However, not all arc trench complexes have an accretionary wedge. Accretionary arcs have a well developed forearc basin behind the accretionary wedge, while the forearc basin is poorly developed in non accretionary arcs. Beyond the forearc basin, volcanoes are found in long chains called volcanic arcs. The subducting basalt and sediment are normally rich in hydrous minerals and clays. Additionally, large quantities of water are introduced into cracks and fractures created as the subducting slab bends downward. During the transition from basalt to eclogite, these hydrous materials break down, producing copious quantities of water, which at such great pressure and temperature exists as a supercritical fluid. The supercritical water, which is hot and more buoyant than the surrounding rock, rises into the overlying mantle, where it lowers the melting temperature of the mantle rock, generating magma via flux melting. The magmas, in turn, rise as diapirs because they are less dense than the rocks of the mantle. The mantle derived magmas (which are initially basaltic in composition) can ultimately reach the Earth's surface, resulting in volcanic eruptions. The chemical composition of the erupting lava depends upon the degree to which the mantle derived basalt interacts with (melts) Earth's crust or undergoes fractional crystallization. Arc volcanoes tend to produce dangerous eruptions because they are rich in water (from the slab and sediments) and tend to be extremely explosive. Krakatoa, Nevado del Ruiz, and Mount Vesuvius are all examples of arc volcanoes. Arcs are also associated with most ore deposits. Beyond the volcanic arc is a back arc region whose character depends strongly on the angle of subduction of the subducting slab. Where this angle is shallow, the subducting slab drags the overlying continental crust partially with it, which produces a zone of shortening and crustal thickening in which there may be extensive folding and thrust faulting. If the angle of subduction steepens or rolls back, the upper plate lithosphere will be put in tension instead, often producing a back arc basin.

Терең құрылым

Аркалық траншея кешені – әлдеқайда терең құрылымның жер бетіндегі көрінісі. Тікелей қолжетімді болмаса да, оның терең бөліктерін геофизика және геохимия әдістері арқылы зерттеуге болады. Субдукциялық аймақтар – Вадати-Бениофф аймағы деп аталатын, траншеядан алыстап кететін және жанартаулық доғаның астында 660 километрлік шекараға дейін созылатын еңісқан жер сілкіністерінің аймағымен сипатталады. Субдукциялық аймақтардағы жер сілкіністері Жер бетіндегі басқа аймақтарға қарағанда (әдетте тереңдіктен кем) көбінесе тереңдеу болады; мұндай терең жер сілкіністері терең фазалық өзгерістер, жылулық қашу немесе судың жоғалуынан туындауы мүмкін. Сейсмикалық томография көрсеткендей, кейбір плиталар төменгі мантияға еніп, ядро-мантия шекарасына дейін тереңдей алады. Онда плиталардың қалдықтары жеткілікті түрде қызып, мантия қалыңдықтары ретінде қайтадан жер бетіне көтерілуі мүмкін.

Субдукция бұрышы

Субдукция, әдетте, жанартаулық доғаның астында болған кезде орташа тік бұрышта жүзеге асады. Дегенмен, субдукцияның аномальды, көлбеу бұрыштары да бар, сондай-ақ кейбір өте тік бұрыштар да белгілі. Жалпақ плита субдукциясы (субдукция бұрышы 30°-дан кем) плитаның дерлік көлденең батып кетуі кезінде пайда болады. Салыстырмалы түрде жалпақ плита жоғарғы плитаның астында жүздеген шақырымға созылуы мүмкін. Мұндай геометрия көбінесе қалың қыртыс немесе жылы литосфераның салдарынан жүзуге қабілетті литосфераның батып кетуінен туындайды. Жақындағы зерттеулер ескі және кең субдукция аймақтарының жалпақ субдукция бұрыштарымен байланысты екенін көрсетті. Бұл шығыс Тынық мұхитында ғана жалпақ субдукцияның қазіргі уақытта болуын түсіндіреді, себебі осы аймақтар ғана жалпақ плита субдукциясын қолдауға жеткілікті ескі және кең болды, сондай-ақ Ларамидтік жалпақ плита субдукциясы мен Оңтүстік Қытайдағы жалпақ плита субдукциясының мүмкін болуын түсіндіреді. Ху соңында субдукция жасы мен плитаның ерекшеліктерінің үйлесімі субдукция бұрыштарын анықтайтын ең маңызды факторлар екенін ұсынады. Субдукция аймағының вулканизмін қозғау үшін плиталардың тереңге батып кетуі қажет болғандықтан, жалпақ плита субдукциясын жанартаулық үзілістерді түсіндіру үшін пайдалануға болады. Анд тауларының бір бөлігінде жалпақ плита субдукциясы жалғасуда, бұл Анд вулкандық белдеуінің төрт аймаққа бөлінуіне себеп болады. Перудің солтүстігіндегі және Чилидің Норте Чико аймағындағы жалпақ плита субдукциясы екі жүзуге қабілетті сейсмикалық тізбектердің – Наска тізбегі мен Хуан Фернандес тізбегінің батып кетуінің нәтижесі деп есептеледі. Таитао түбегі маңындағы жалпақ плита субдукциясы Чили көтерілісінің батып кетуімен байланысты. Америка Құрама Штаттарының Роки тауларындағы Ларамидтік орогенез жалпақ плита субдукциясымен байланысты. Осы орогенез кезінде Солтүстік Американың оңтүстік-батыс шетінде кең жанартаулық үзіліс пайда болды және деформация одан әрі ішке қарай жүрді; осы кезде Колорадо, Юта, Вайоминг, Оңтүстік Дакота және Нью-Мексиконың негізгі тау тізбектері пайда болды. Ең ірі субдукциялық жер сілкінісі, "мега-жер сілкінісі" деп аталатын, жалпақ плита субдукция аймақтарында болады. Көлбеу бұрышпен субдукция (субдукция бұрышы 70°-дан жоғары) Жердің мұхиттық қыртысы мен литосферасы суық және қалың болған және, демек, жүзуге қабілеттілігін жоғалтқан субдукция аймақтарында жүзеге асады. Жақындағы зерттеулер тік бұрышты субдукция аймақтарын жас және аз кеңейген субдукция аймақтарымен де байланыстырды. Бұл қазіргі субдукция аймақтарының көбінесе тік екенін түсіндіреді. Ең тік батып кету субдукция аймағы Мариан шұңқырында орналасқан, онда Юра кезеңіне жататын мұхиттық литосфера офиолиттерді есептемегенде, Жердегі ең көне болып табылады. Жалпақ плита субдукциясынан айырмашылығы, тік бұрышпен субдукция жоғарғы плитаның артқы доғалық кеңеюімен байланысты, вулкандық доғаларды құрайды және континенттік қыртыстың фрагменттерін континенттерден алып, шеттік теңізді қалдырады.

Subduction typically occurs at a moderately steep angle by the time it is beneath the volcanic arc. However, anomalous shallower angles of subduction are known to exist as well as some that are extremely steep. Flat slab subduction (subducting angle less than 30°) occurs when the slab subducts nearly horizontally. The relatively flat slab can extend for hundreds of kilometers under the upper plate. This geometry is commonly caused by the subduction of buoyant lithosphere due to thickened crust or warmer lithosphere. Recent studies have also shown a strong correlation that older and wider subduction zones are related to flatter subduction dips. This provides an explanation as to why flat subduction only presently occur in the eastern pacific as only these regions were old and wide enough to support flat slab subduction and why the Laramide flat slab subduction and South China flat slab subduction were possible. Hu ultimately proposes that a combination of subduction age and slab characteristics provide the strongest controls over subduction dips. Because subduction of slabs to depth is necessary to drive subduction zone volcanism, flat slab subduction can be invoked to explain volcanic gaps. Flat slab subduction is ongoing beneath part of the Andes, causing segmentation of the Andean Volcanic Belt into four zones. The flat slab subduction in northern Peru and the Norte Chico region of Chile is believed to be the result of the subduction of two buoyant aseismic ridges, the Nazca Ridge and the Juan Fernández Ridge, respectively. Around Taitao Peninsula flat slab subduction is attributed to the subduction of the Chile Rise, a spreading ridge. The Laramide Orogeny in the Rocky Mountains of the United States is attributed to flat slab subduction. During this orogeny, a broad volcanic gap appeared at the southwestern margin of North America, and deformation occurred much farther inland; it was during this time that the basement cored mountain ranges of Colorado, Utah, Wyoming, South Dakota, and New Mexico came into being. The most massive subduction zone earthquakes, so called "megaquakes", have been found to occur in flat slab subduction zones. Steep angle subduction (subducting angle greater than 70°) occurs in subduction zones where Earth's oceanic crust and lithosphere are cold and thick and have, therefore, lost buoyancy. Recent studies have also correlated steep angled subduction zones with younger and less extensive subduction zones. This would explain why most modern subduction zones are relatively steep. The steepest dipping subduction zone lies in the Mariana Trench, which is also where the oceanic lithosphere of Jurassic age is the oldest on Earth exempting ophiolites. Steep angle subduction is, in contrast to flat slab subduction, associated with back arc extension of the upper plate, creating volcanic arcs and pulling fragments of continental crust away from continents to leave behind a marginal sea.

Субдукцияны бастау

Тұрақты субдукция жақсы түсінілсе де, субдукцияның қалай басталатыны мәселесі әлі де талқыланып, зерттеулер жүргізілуде. Субдукция, егер тығыз мұхиттық литосфера тік күш арқылы іргетасын жоғалтып, жақын орналасқан мұхиттық немесе континенттік литосфераның астына батса, өздігінен басталуы мүмкін; немесе, қазіргі тақталардың қозғалысы мұхиттық литосфераны жарып, астеносфераға батуға көлденең күш түсіру арқылы жаңа субдукция аймақтарын тудыруы мүмкін. Екі модель де, мұхиттық қабық үлкен тереңдікте метаморфозға ұшырап, айналасындағы мантиялық тау жыныстарынан тығыз болғанда, өзін-өзі сақтай алатын субдукция аймақтарын құруы мүмкін. 100 миллион жылға дейінгі субдукция аймақтарының басталу оқиғаларын жинақтау, қазіргі субдукция аймақтарының көпшілігі үшін көлденең күшпен субдукция аймағының басталуын және геологиялық зерттеулерді көрсетеді. Алайда, кейбір модельдеулер екі тақта арасындағы тығыздық айырмашылығынан туындаған, пассивті шеттер және трансформациялық жарылымдар сияқты белгілі бір жерлерде спонтанды субдукцияның мүмкіндігін көрсетеді. Бұл оқиғаның Изу-Бонин-Мариана субдукция жүйесінде болғанына дәлелдер бар. Жердің ертерек тарихында, салыстырмалы тақталардың қозғалысы болмағандықтан субдукция көлденең күшсіз басталуы мүмкін, бірақ А. Иннің ұсынысы метеориттердің соқтығысы ерте Жерде субдукцияның басталуына әсер еткен болуы мүмкін дейді. Пассивті шеттерде субдукцияның басталу идеясы танымал болғанымен, осы типтегі субдукцияның қазіргі заманғы мысалы жоқ. Бұл, континенттік пассивті шеттердегі мұхиттық немесе аралық қабықтың беріктігіне байланысты болуы мүмкін, егер қабық өмірінің алғашқы 20 миллион жылында жарылмаса, онда қалыпты шөгінді жүктемелер астында болашақта да жарылуы екіталай. Тек қабықтың ыстық нүктелердің магматизмі немесе кеңею жарылымы арқылы әлсіреуі ғана оның континенттен бөлініп, субдукцияны бастауына мүмкіндік береді.

Субдукцияның аяқталуы

Субдукция мұхиттық литосфера субдукция аймағына енгенше жалғаса береді. Дегенмен, субдукция аймағына жүзуге қабілетті континенталды литосфераның келуі траншеядағы байланыстың күшеюіне және тақта шекарасының қайта ұйымдастырылуына әкелуі мүмкін. Континенттік қабықтың келуі континенттік соқтығысуға немесе жердің қосылуына алып келеді, бұл субдукцияны тоқтатуы мүмкін. Континенттік қабық кері қайту мүмкін емес тереңдікке дейін батып, жоғалып кетуі мүмкін. Қалыңдығы белгілі бір шамадан асатын жер қыртысының немесе мұхит ішіндегі доғалық қабықтың бөліктері, сондай-ақ сол шамадан асатын мұхиттық платолар субдукцияны тоқтатуы мүмкін. Алайда, батып кеткен аралдық доғалар тек жергіліктік бұзылыстарға себеп болуы мүмкін, ал аймаққа параллель келетін доға оны тоқтатуы мүмкін. Бұл Онтонг Жава платосы және Витяз шұңқырында орын алған.

Метаморфизм

Субдукциялық аймақтарда жоғары қысым және төмен температура жағдайларында пайда болатын ерекше тау жыныстарының түрлері кездеседі. Осы процесте тақтаның басып өтетін метаморфтық жағдайлары сулы (гидратталған) минералды фазаларды құрады және жояды, осы арқылы мантияға су шығарады. Бұл су мантиялық тау жыныстарының балқу температурасын төмендетеді, соның нәтижесінде балқу басталады. Осы сусыздану реакцияларының уақыты мен жағдайларын түсіну мантияның балқуын, жанартаулық доға магматизмін және континенттік қабықтың қалыптасуын түсінудің кілті болып табылады. Метаморфты фацилерге нақты қысым-температура диапазонына және бастапқы материалға тән тұрақты минералды жиынтық тән. Субдукциялық аймақтағы метаморфизм төмен температуралы, жоғары және ультра жоғары қысымды метаморфтық жолмен сипатталады, ол субдукцияланған мұхиттық қабықтың зеолит, прехнит-помпеллит, көк шырша және эклогит фацияларының тұрақтылық аймақтары арқылы өтеді. Зеолит және прехнит-помпеллит фацияларының жиынтықтары болуы мүмкін немесе болмауы мүмкін, сондықтан метаморфизмнің басталуы көк шырша фациясының жағдайларымен ғана белгіленуі мүмкін. Субдукцияланатын тақталар базальттық қабықтан және оның үстіндегі пелагикалық шөгінділерден тұрады; алайда, пелагикалық шөгінділер алдыңғы доғаның ілу қабырғасына аккрецияланып, субдукцияланбауы мүмкін. Субдукцияланатын тақтада болатын көптеген метаморфты фазалық өтулер сулы минералды фазалардың сусыздануынан туындайды. Сулы минералды фазалардың ыдырауы әдетте 10 км-ден аса тереңдікте жүзеге асады. Бұл метаморфты фациялардың әрқайсысы белгілі бір тұрақты минералды жиынтықтың болуымен сипатталады, ол субдукцияланатын тақтаның басып өткен метаморфты жағдайларын көрсетеді. Фациялар арасындағы өтулер сулы минералдардың белгілі бір қысым-температура жағдайларында сусыздануына әкеледі және осылайша жанартаулық доғаның астындағы мантиядағы балқу оқиғаларын бақылауға мүмкіндік береді.

Қисық магматизм

Жер бетінде екі түрлі доғалар байқалады: мұхиттық литосферада қалыптасатын арал доғалары (мысалы, Мариан және Тонга аралдары) және құрлық жағалауларында пайда болатын континенттік доғалар, мысалы Каскадтық жанартаулық доғасы. Арал доғалары (океан ішіндегі немесе бастапқы доғалар) басқа мұхиттық литосфераның астына мұхиттық литосфераның батып кіруінен (океан-океан субдукциясы) пайда болады, ал континенттік доғалар (Анд доғалары) мұхиттық литосфераның континенттік литосфераның астына батып кіруі кезінде (океан-континент субдукциясы) қалыптасады. Аляскадағы Алеут шұңқырының субдукциялық аймағында аралдық және континенттік доғалық бөліктері бар жанартаулық доғаның мысалы бар. Сент-Хеленс, Этна және Фудзи таулары сияқты субдукция аймақтарында пайда болатын жанартаулар, шұңқырдан шамамен жүз шақырым қашықтықта орналасқан, доға тәрізді тізбектерде жатады. Плутондар, мысалы Йосемити ұлттық паркіндегі Жарты Күмбез, әдетте жанартаулық доғалардың ішіндегі жанартаулардан 10–50 км тереңдікте қалыптасады және жанартаулар эрозияға ұшырағаннан кейін ғана бетке шығады. Вулканизм мен плутонизм мұхиттық плитаның жоғары қысым мен температураға жеткенде сусыздануының нәтижесінде пайда болады. Мұхиттық плита 100 км тереңдікке жеткенде, гидратталған минералдар тұрақсыз болып, астеносфераға сұйықтықтарды бөліп шығарады. Сұйықтықтар астеносферадағы тау жыныстары үшін қосымша зат ретінде әрекет етеді және олардың ішінара балқыуына себеп болады. Ішінара балқыған материал жеңіл болып, литосфераға көтеріліп, диапирлер деп аталатын үлкен магма камераларын құрайды. Магманың бір бөлігі қыртыстың бетіне жетеді, онда жанартаулар пайда болады және жер бетінде атқылаған жағдайда андезиттік лава тудырады. Литосферада жеткілікті ұзақ уақыт қалған магма суынып, диорит, гранодиорит және кейде гранит сияқты плутондық жыныстарға айналады. Доғалық магматизм шұңқырдан жүзден екі жүз шақырымға дейін және батып кіретін плитадан шамамен жүз шақырым биіктікте пайда болады. Доғалар Жер бетінде жыл сайын өндірілетін магманың жалпы көлемінің шамамен 10% -ын (шамамен 0,75 куб километр) құрайды, бұл мұхит орталық тізбектерінде өндірілетін көлемнен әлдеқайда аз, бірақ олар континенттік қабықтың көп бөлігін құрады. Доғалық вулканизм адамдарға ең көп әсер етеді, өйткені көптеген доғалық жанартаулар теңіз деңгейінен жоғары орналасқан және күшті атқылайды. Күшті атқылаулар кезінде стратосфераға шашылған аэрозольдер Жердің климатын тез суытып, әуе қатынасына әсер етеді. Доғалық магматизм жердің көміртектік циклында вулкандық процестер арқылы батып кіретін көміртекті босату арқылы рөл атқарады. Frezzoti және авторлар (2011) көміртекті тақтаға көміртекті минералдардан сулы ерітіндіге шығару арқылы көміртекті тасымалдаудың басқа механизмін ұсынады. Олардың дәлелі Альп тауларындағы эклогит фациесінде табылған төмен температурадағы (<600 °C) алмастар мен гранаттарды мұқият зерттеуден алынған. Инклюзиялардың химиясы сол ортада көміртектің жоғары концентрацияланған сұйықтығының бар екенін көрсетеді, ал сол тектоникалық кешендегі төмен қысымды және температуралық фациялардың қосымша химиялық өлшеулері көміртекті тасымалдау құралы ретінде көміртектің еріуін (декарбондау емес) қолдайды. Субдукция аймағының геометриясын зерттеу және 2004 жылғы Суматра-Андаман және 2011 жылғы Тохоку жер сілкінісі сияқты ірі тарихи жер сілкіністерінде батып кіретін плитаның төменгі бөлігінің қисықтық дәрежесін салыстыру арқылы субдукция аймақтарындағы жер сілкіністерінің шамасы шұңқырға жақын субдукция бұрышына кері пропорционалды екендігі анықталды, яғни "екі плита арасындағы контакті неғұрлым тегіс болса, мега жер сілкіністерінің болу ықтималдығы соғұрлым жоғары". Субдукция аймағының мұхитқа қарай қалыпты жарықтары субдукция аймағына батқанда плитаның иілуінен туындайтын күштердің әсерінен пайда болады. 2009 жылғы Самоа жер сілкінісі осы құбылыстың мысалы. Осы оқиғаның салдарынан теңіз түбінің ығысуы жақын маңдағы Самоада алты метрлік цунами тудырды. Сейсмографиялық томография жер сілкінісі болмайтын мантияның терең қабаттарындағы батып кіретін литосфералық плиталарды анықтауға көмектесті. Шамамен жүз плита тереңдігі және олардың батып кіру уақыты мен орны тұрғысынан сипатталған. Мантиядағы үлкен сейсмикалық үзілістер, тереңдікте және , терең субдукция аймақтарында салқындатылған плиталардың түсуімен бұзылады. Кейбір батып кіретін плиталар мантияның жоғарғы және төменгі қабаттарының шекарасын белгілейтін үлкен үзілістің өте маңызды бөлігін тесіп өтуге қиналады, бұл тереңдікте шамамен 670 километрде орналасқан. Басқа батып кіретін мұхиттық плиталар 2890 км тереңдіктегі ядро-мантия шекарасына дейін батқан. Әдетте, плиталар мантияға түскенде жылдамдығы төмендейді, субдукция аймағында және жоғарғы мантияда әдетте бірнеше см/жыл (кейбір жағдайларда ~10 см/жыл) болса, төменгі мантияда ~1 см/жылға дейін төмендейді. Субдукция континентке аккрецияланатын мұхиттық материалды әкелмейінше орогенезді де тудыруы мүмкін. Егер төменгі плита континенттің астына шалқа жатқан бұрышпен батса ("жазық плита субдукциясы"), батып кіретін плита континенттік плитаның төменгі жағына жеткілікті тартымдылық күшін тудырып, жоғарғы плитаның бүгілуіне, жарылуына, қабықтың қалыңдауына және тау пайда болуына себеп болуы мүмкін. Жазық плита субдукциясы тау пайда болуына және жанартаулық белсенділіктің континентке қарай, шұңқырдан алысқа жылжуына себеп болады және Солтүстік Американың батысында (яғни Ларамид орогенезі) және қазіргі уақытта Аляскада, Оңтүстік Америкада және Шығыс Азияда сипатталған. Нәтижелер Солтүстік Австралия континенттік плитасының кемінде 229 километрге дейін батып кіргенін көрсетеді. Басқа мысал - Азияның астына батып кіріп жатқан Үндістанның солтүстікке қарай үздіксіз қозғалысы. Екі континент арасындағы соқтығысу шамамен 50 миллион жыл бұрын басталған, бірақ әлі де жалғасуда.

Two kinds of arcs are generally observed on Earth: island arcs that form on the oceanic lithosphere (for example, the Mariana and the Tonga island arcs), and continental arcs such as the Cascade Volcanic Arc, that form along the coast of continents. Island arcs (intraoceanic or primitive arcs) are produced by the subduction of oceanic lithosphere beneath another oceanic lithosphere (ocean ocean subduction) while continental arcs (Andean arcs) form during the subduction of oceanic lithosphere beneath a continental lithosphere (ocean continent subduction). An example of a volcanic arc having both island and continental arc sections is found behind the Aleutian Trench subduction zone in Alaska. Volcanoes that occur above subduction zones, such as Mount St. Helens, Mount Etna, and Mount Fuji, lie approximately one hundred kilometers from the trench in arcuate chains called volcanic arcs. Plutons, like Half Dome in Yosemite National Park, generally form 10–50 km below the volcanoes within the volcanic arcs and are only visible on the surface once the volcanoes have weathered away. The volcanism and plutonism occur as a consequence of the subducting oceanic slab dehydrating as it reaches higher pressures and temperatures. Once the oceanic slab reaches about 100 km in depth, hydrous minerals become unstable and release fluids into the asthenosphere. The fluids act as a flux for the rock within the asthenosphere and cause it to partially melt. The partially melted material is more buoyant and as a result will rise into the lithosphere, where it forms large magma chambers called diapirs. Some of the magma will make it to the surface of the crust where it will form volcanoes and, if eruptive on earth's surface, will produce andesitic lava. Magma that remains in the lithosphere long enough will cool and form plutonic rocks such as diorite, granodiorite, and sometimes granite. The arc magmatism occurs one hundred to two hundred kilometers from the trench and approximately one hundred kilometers above the subducting slab. Arcs produce about 10% of the total volume of magma produced each year on Earth (approximately 0.75 cubic kilometers), much less than the volume produced at mid ocean ridges, but they have formed most continental crust. Arc volcanism has the greatest impact on humans because many arc volcanoes lie above sea level and erupt violently. Aerosols injected into the stratosphere during violent eruptions can cause rapid cooling of Earth's climate and affect air travel. Arc magmatism plays a role in Earth's Carbon cycle by releasing subducted carbon through volcanic processes. Older theory states that the carbon from the subducting plate is made available in overlying magmatic systems via decarbonation, where CO is released through silicate carbonate metamorphism. Frezzoti et al. (2011) propose a different mechanism for carbon transport into the overriding plate via dissolution (release of carbon from carbon bearing minerals into an aqueous solution) instead of decarbonation. Their evidence comes from the close examination of mineral and fluid inclusions in low temperature (<600 °C) diamonds and garnets found in an eclogite facies in the Alps. The chemistry of the inclusions supports the existence of a carbon rich fluid in that environment, and additional chemical measurements of lower pressure and temperature facies in the same tectonic complex support a model for carbon dissolution (rather than decarbonation) as a means of carbon transport. By examining subduction zone geometry and comparing the degree of lower plate curvature of the subducting plate in great historical earthquakes such as the 2004 Sumatra Andaman and the 2011 Tōhoku earthquake, it was determined that the magnitude of earthquakes in subduction zones is inversely proportional to the angle of subduction near the trench, meaning that "the flatter the contact between the two plates, the more likely it is that mega earthquakes will occur". Outer rise earthquakes on the lower plate occur when normal faults oceanward of the subduction zone are activated by flexure of the plate as it bends into the subduction zone. The 2009 Samoa earthquake is an example of this type of event. Displacement of the sea floor caused by this event generated a six meter tsunami in nearby Samoa. Seismic tomography has helped detect subducted lithospheric slabs deep in the mantle where there are no earthquakes. About one hundred slabs have been described in terms of depth and their timing and location of subduction. The great seismic discontinuities in the mantle, at depth and , are disrupted by the descent of cold slabs in deep subduction zones. Some subducted slabs seem to have difficulty penetrating the major discontinuity that marks the boundary between the upper mantle and lower mantle at a depth of about 670 kilometers. Other subducted oceanic plates have sunk to the core–mantle boundary at 2890 km depth. Generally, slabs decelerate during their descent into the mantle, from typically several cm/yr (up to ~10 cm/yr in some cases) at the subduction zone and in the uppermost mantle, to ~1 cm/yr in the lower mantle. Subduction may also cause orogeny without bringing in oceanic material that accretes to the overriding continent. When the lower plate subducts at a shallow angle underneath a continent (something called "flat slab subduction"), the subducting plate may have enough traction on the bottom of the continental plate to cause the upper plate to contract by folding, faulting, crustal thickening, and mountain building. Flat slab subduction causes mountain building and volcanism moving into the continent, away from the trench, and has been described in western North America (i. e. Laramide orogeny, and currently in Alaska, South America, and East Asia. The results show at least a minimum of 229 kilometers of subduction of the northern Australian continental plate. Another example may be the continued northward motion of India, which is subducting beneath Asia. The collision between the two continents initiated around 50 my ago, but is still active.

Мұхит ішіндегі: мұхит/мұхит тақтасының субдукциясы

Мұхиттық плиталардың субдукциялық аймақтары планетадағы барлық субдукциялық аймақтардың шамамен 40% құрайды. Мұхит-мұхит қарым-қатынасы мұхит және құрлық плиталары арасындағы субдукция аймақтарының пайда болуына әкелуі мүмкін, сондықтан осы субдукция ортасын түсінудің маңыздылығын көрсетеді. Мұхиттық плитаның екінші мұхиттық плитаның астына түсуінің басталуына не себеп болатыны толыққанды түсінілмесе де, Baitsch Ghirardello және авторлар ұсынған үш негізгі модель бар, олар осы ортадағы әртүрлі режимдерді түсіндіреді. Модельдер келесідей: 1) Шекіну субдукциясы: төменгі және жоғарғы плиталар арасындағы нашар байланыс салдарынан туындайды, бұл артқы доға алабының ашылуына және плитаның кері қайтуымен субдукциялық аймақтың жылжуына әкеледі, 2) Тұрақты субдукция: төменгі және жоғарғы плиталар арасындағы орташа байланыс салдарынан туындайды. Субдукциялық аймақ әдетте бір орында қалады және субдукцияланатын плита тұрақты бұрышта субдукцияланады, 3) Ілгерілеу субдукциясы: жоғарғы және төменгі плиталар арасындағы күшті байланыс салдарынан туындайды. Субдукцияланатын шөгінділер қалыңдап, жартылай балқыған мантийлік қабаттар субдукцияланатын плитаның үстінде пайда болады.

Арк-континенттік соқтығысу және әлемдік климат

2019 жылғы зерттеуде Макдональд және авторлар континенттік доғаның соқтығысу аймақтары мен одан кейінгі мұхиттық литосфераның үстіне жылжуы жаһандық климатты бақылауға кем дегенде жартылай жауапты деп ұсынды. Олардың моделі тропикалық аймақтардағы континенттік доғаның соқтығысуына негізделген, онда негізінен мафикалық материалдан тұратын ашық офиолиттер "жаһандық ыдырау деңгейін" арттырады және силикаттық тоздыру процестері арқылы көміртегінің жиналуына әкеледі. Бұл көміртегінің шөгіндісі болып табылады, ол атмосферадан көміртегіні алып, жаһандық салқындануға себеп болады. Олардың зерттеуі бірнеше фанерозойлық офиолиттік кешендерді, соның ішінде белсенді доғалық континенттік субдукцияны, белгілі жаһандық салқындану және мұз басу кезеңдерімен байланыстырады. Бұл зерттеуде Миланкович циклдері жаһандық климаттың айнымалылығын тудыратын фактор ретінде қарастырылмайды.

Жер бетіндегі субдукцияның басталуы

Қазіргі заманғы субдукция стилі төмен геотермальдық градиенттермен және эклогит және блюшист сияқты жоғары қысымды төмен температуралы тау жыныстарының қалыптасуымен сипатталады. Сол сияқты, қазіргі заманғы субдукциямен байланысты офиолиттер деп аталатын тау жыныстары да осындай жағдайларды көрсетеді. Екі дәлел де қазіргі заманғы стильді субдукция туралы бұрынғы тұжырымдамаларды жоққа шығарады, олар 1,0 миллиард жыл бұрын неопротерозой дәуірінде басталған. 1964 жылы Джордж Плафкер Аляскадағы Ұлы жұма жер сілкінісін зерттеді. Ол жер сілкінісінің себебі Алютия ойысындағы мега-жарылым, яғни Алясканың континенттік қабығының Тынық мұхитының қабығының үстінен жабысуы деген қорытындыға келді. Бұл дегеніміз – Тынық мұхитының қабығы Аляска қабығының астына түсуі. Субдукция түсінігі плиталар тектоникасы теориясының дамуында маңызды рөл атқарды. "Субдукция" сөздерінің алғашқы геологиялық деректері 1970 жылға дейін жетеді. Ағылшын тілінде субдукциялау немесе субдуцировать (латынша subducere, "алып жүру") – бұл транзитивті етістіктер, олар субъектінің өзіне емес, объектіге әрекет жасауын талап етеді, яғни төменгі тақтаға, ол кейін субдукцияланады ("алынып тасталады"). Геологиялық термин – "жойылды", бұл төменгі тақтаның төменге қарай сығуымен болатын геологиялық сәтте орын алады, тіпті ол қайта балқып, таралуға дейін біраз уақытқа созылуы мүмкін. Бұл тұжырымдамалық модельде тақта үнемі тозып, жұмсалады. Субъектінің, жойғыштың немесе жою агентінің кім екені нақты айтылмайды. Кейбір дереккөздер осы субъект-объект құрылымын қабылдайды. Геология субдукциялауды транзитивті емес және рефлексивті етістікке айналдырады. Төменгі тақтаның өзі – тақырып. Ол кері шегіну немесе өзін алып тастау мағынасында "субдукцияланады", және осыны істегенде "субдукцияланатын тақта" болады. Сонымен қатар, "плита" сөзі нақты "субдукцияланатын тақтаға" байланысты, тіпті ағылшын тілінде жоғарғы тақта да дәл сондай плита болса да. Жоғарғы тақта іс жүзінде "аспалы" күйде қалады. Мұны білдіру үшін геология басқа етістікке ауысуы керек, әдетте "басып өту". Жоғарғы тақта, субъект, объектіні, төменгі тақтаны басып өту әрекетін жасайды.

Modern style subduction is characterized by low geothermal gradients and the associated formation of high pressure low temperature rocks such as eclogite and blueschist. Likewise, rock assemblages called ophiolites, associated with modern style subduction, also indicate such conditions. Both lines of evidence refute previous conceptions of modern style subduction having been initiated in the Neoproterozoic Era 1.0 Ga ago. In 1964, George Plafker researched the Good Friday earthquake in Alaska. He concluded that the cause of the earthquake was a megathrust reaction in the Aleutian Trench, a result of the Alaskan continental crust overlapping the Pacific oceanic crust. This meant that the Pacific crust was being forced downward, or subducted, beneath the Alaskan crust. The concept of subduction would play a role in the development of the plate tectonics theory. First geologic attestations of the "subduct" words date to 1970, In ordinary English to subduct, or to subduce (from Latin subducere, "to lead away") are transitive verbs requiring a subject to perform an action on an object not itself, here the lower plate, which has then been subducted ("removed"). The geological term is "consumed", which happens the geological moment the lower plate slips under, even though it may persist for some time until its remelting and dissipation. In this conceptual model, plate is continually being used up. The identity of the subject, the consumer, or agent of consumption, is left unstated. Some sources accept this subject object construct. Geology makes to subduct into an intransitive verb and a reflexive verb. The lower plate itself is the subject. It subducts, in the sense of retreat, or removes itself, and while doing so, is the "subducting plate". Moreover, the word slab is specifically attached to the "subducting plate", even though in English the upper plate is just as much of a slab. The upper plate is left hanging, so to speak. To express it geology must switch to a different verb, typically to override. The upper plate, the subject, performs the action of overriding the object, the lower plate, which is overridden.