Субдукция: Процесс поглощения тектонических плит

Введение

Геологический процесс на сходящихся границах тектонических плит, где одна плита опускается под другую.

Субдукция – это геологический процесс, при котором океаническая и часть континентальной литосферы перерабатываются в мантию Земли на сходящихся границах. В зонах, где океаническая литосфера тектонической плиты сталкивается с менее плотной литосферой другой плиты, более тяжёлая плита погружается под неё и опускается в мантию. Область, где происходит этот процесс, называется зоной субдукции, а её поверхностное проявление – дугово-траншейным комплексом. Процесс субдукции создал большую часть континентальной коры Земли. Скорость субдукции обычно измеряется в сантиметрах в год, при этом скорость схождения может достигать 11 см/год. Субдукция возможна, поскольку холодная океаническая литосфера немного плотнее, чем подстилающая астеносфера – горячий, пластичный слой верхней мантии, лежащий под холодной, жёсткой литосферой. После инициации стабильная субдукция в основном обусловлена отрицательной плавучестью плотной субдуцирующей литосферы. Плита опускается в мантию преимущественно под действием собственного веса. Землетрясения – обычное явление вдоль зоны субдукции, а флюиды, выделяемые субдуцирующей плитой, вызывают вулканизм в налегающей плите. Если субдуцирующая плита опускается под пологим углом, в налегающей плите развивается пояс деформации, характеризующийся утолщением коры, горообразованием и метаморфизмом. Субдукция под более крутым углом характеризуется формированием бассейнов задней дуги.

Субдукция и тектоника плит

Согласно теории тектоники плит, литосфера Земли, ее жесткая внешняя оболочка, разбита на шестнадцать крупных тектонических плит и несколько меньших плит. Эти плиты движутся медленно, главным образом из-за силы тяжения субдуцирующей литосферы. Опускающаяся литосфера в зонах субдукции является частью конвекционных ячеек в нижележащей пластичной мантии. Этот процесс конвекции позволяет теплу, генерируемому радиоактивным распадом, выходить из недр Земли. Литосфера состоит из самой внешней, легкой коры и верхней, жесткой части мантии. Толщина океанической литосферы варьируется от нескольких километров для молодой литосферы, образованной на срединно-океанических хребтах, до примерно [укажите значение] для самой древней океанической литосферы. Континентальная литосфера может достигать [укажите значение] в толщину. Литосфера относительно холодна и жестка по сравнению с подстилающей астеносферой, поэтому тектонические плиты перемещаются как твердые тела над астеносферой. Отдельные плиты часто включают в себя как участки океанической, так и континентальной литосферы. Зоны субдукции – это места, где холодная океаническая литосфера погружается обратно в мантию и перерабатывается. Они встречаются на сходящихся границах плит, где океаническая литосфера одной плиты сталкивается с менее плотной литосферой другой плиты. Более тяжелая океаническая литосфера поддвигается под передний край другой плиты. Поддвигающаяся плита (плита-слаб) опускается под углом примерно от 25 до 75 градусов к поверхности Земли. Это погружение обусловлено разницей температур между плитой и окружающей астеносферой, поскольку более холодная океаническая литосфера имеет, в среднем, большую плотность. Осадочные породы и некоторая захваченная вода уносятся вниз вместе с плитой и перерабатываются в глубокую мантию. Земля – пока единственная известная планета, где происходит субдукция, и зоны субдукции являются ее важнейшей тектонической особенностью. Субдукция – движущая сила тектоники плит, и без нее тектоника плит была бы невозможна. Океанические зоны субдукции расположены вдоль конвергентных краев плит, почти равные суммарной скорости образования плит на срединно-океанических хребтах. Морская вода просачивается в океаническую литосферу через трещины и поры и взаимодействует с минералами в коре и мантии, образуя гидросодержащие минералы (например, серпентин), которые хранят воду в своей кристаллической структуре. Вода транспортируется в глубокую мантию посредством гидросодержащих минералов в субдуцирующих плитах. В процессе субдукции ряд минералов в этих плитах, таких как серпентин, может быть стабилен при различных давлениях внутри геотермического градиента плиты и может переносить значительное количество воды в недра Земли. По мере погружения и нагрева плиты высвобождающиеся флюиды могут вызывать сейсмичность и индуцировать плавление внутри субдуцирующей плиты и в надлежащем мантийном клине. Этот тип плавления избирательно концентрирует летучие вещества и переносит их в вышележащую плиту. Если происходит извержение, цикл возвращает летучие вещества в океаны и атмосферу.

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

Комплекс дугово-ровных траншей

Поверхностными проявлениями зон субдукции являются комплексы дуг-траншей. На океанической стороне комплекса, где субдуцирующая плита впервые приближается к зоне субдукции, часто наблюдается внешний подъем траншеи или внешний вал траншеи. Здесь плита слегка уменьшает крутизну перед погружением вниз, что является следствием ее жесткости. Точка, где плита начинает погружаться вниз, отмечена океанической траншеей. Океанические траншеи – самые глубокие части океанического дна. За траншеей располагается передняя часть наезжающей плиты. В зависимости от скорости осадконакопления, передняя дуга может включать в себя аккреционный клин осадочных пород, соскобленных с субдуцирующей плиты и аккретированных к наезжающей плите. Однако не все комплексы дуг-траншей имеют аккреционный клин. Аккреционные дуги характеризуются хорошо развитым бассейном передней дуги за аккреционным клином, в то время как в неаккреционных дугах этот бассейн развит слабо. За бассейном передней дуги вулканы располагаются длинными цепями, называемыми вулканическими дугами. Подходящий базальт и осадочные породы обычно богаты гидросодержащими минералами и глинами. Кроме того, большие количества воды поступают в трещины и разломы, образующиеся при изгибе субдуцирующей плиты вниз. В процессе перехода от базальта к эклогиту эти гидросодержащие материалы разлагаются, выделяя значительное количество воды, которая при таком высоком давлении и температуре существует в виде сверхкритической жидкости. Сверхкритическая вода, горячая и менее плотная, чем окружающие породы, поднимается в вышележащую мантию, где она понижает температуру плавления мантийных пород, генерируя магму посредством плавления флюидом. Магмы, в свою очередь, поднимаются в виде диапиров, поскольку они менее плотны, чем породы мантии. Магмы мантийного происхождения (изначально базальтового состава) в конечном итоге могут достигать поверхности Земли, вызывая вулканические извержения. Химический состав извергающейся лавы зависит от степени взаимодействия мантийного базальта с земной корой или от фракционной кристаллизации. Вулканы дуг, как правило, характеризуются опасными извержениями, поскольку они богаты водой (из плиты и осадочных пород) и склонны к чрезвычайной взрывоопасности. Кракатау, Невадо-дель-Руис и Везувий – примеры вулканов дуг. Дуги также связаны с большинством месторождений полезных ископаемых. За вулканической дугой располагается область задней дуги, характеристики которой сильно зависят от угла субдукции субдуцирующей плиты. При малом угле субдукции субдуцирующая плита частично увлекает за собой континентальную кору, что приводит к зоне укорочения и утолщения коры, где могут наблюдаться обширные складки и надвиги. При увеличении или отступании угла субдукции верхняя плита литосферы подвергается растяжению, что часто приводит к образованию бассейна задней дуги.

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.

Глубокая структура

Комплекс дуговой траншеи – это поверхностное проявление гораздо более глубокой структуры. Хотя до более глубоких участков нельзя получить прямой доступ, их можно изучать с помощью геофизики и геохимии. Зоны субдукции характеризуются наклонной сейсмической зоной, зоной Вадати-Бениоффа, которая уходит под углом от траншеи и простирается вниз под вулканическую дугу до 660-километрового разрыва. Землетрясения в зонах субдукции происходят на большей глубине (до 700 км), чем в других регионах Земли (обычно менее 70 км); такие глубокофокусные землетрясения могут быть обусловлены глубокими фазовыми переходами, термическим прорывом или охрупчиванием вследствие дегидратации. Сейсмическая томография показывает, что некоторые плиты могут проникать в нижнюю мантию и опускаться до границы ядра и мантии. Там остатки этих плит могут в конечном итоге нагреться настолько, чтобы подняться к поверхности в виде мантийных плюмов.

Угол субдукции

Субдукция обычно происходит под умеренно крутым углом к тому времени, когда она оказывается под вулканической дугой. Однако известны аномально пологие углы субдукции, а также углы, которые являются чрезвычайно крутыми. Плоская субдукция (угол субдукции менее 30°) происходит, когда плита погружается почти горизонтально. Относительно плоская плита может простираться на сотни километров под верхнюю плитой. Эта геометрия обычно обусловлена субдукцией плавучей литосферы из-за утолщенной коры или более теплой литосферы. Недавние исследования также показали сильную корреляцию между возрастом и шириной зон субдукции и пологостью углов субдукции. Это объясняет, почему плоская субдукция в настоящее время наблюдается только в восточной части Тихого океана, поскольку только эти регионы были достаточно старыми и широкими для поддержания плоской субдукции, и почему возможны были плоская субдукция Ларамида и плоская субдукция Южного Китая. Ху в конечном итоге предполагает, что сочетание возраста субдукции и характеристик плиты оказывает наиболее сильное влияние на углы субдукции. Поскольку субдукция плит на глубину необходима для генерации вулканизма в зоне субдукции, плоская субдукция может быть использована для объяснения вулканических разрывов. Плоская субдукция продолжается под частью Анд, вызывая сегментацию Андского вулканического пояса на четыре зоны. Считается, что плоская субдукция в северном Перу и регионе Норте-Чико в Чили является результатом субдукции двух плавучих асейсмических хребтов – хребта Наска и хребта Хуана Фернандеса, соответственно. В районе полуострова Тайтао плоская субдукция приписывается субдукции Чилийского хребта, срединно-океанического хребта. Орогенез Ларамида в Скалистых горах Соединенных Штатов также связывают с плоской субдукцией. Во время этого орогенеза на юго-западном крае Северной Америки образовался широкий вулканический разрыв, а деформация распространилась значительно вглубь континента; именно тогда сформировались горные хребты с кристаллическим фундаментом в Колорадо, Юте, Вайоминге, Южной Дакоте и Нью-Мексико. Наиболее мощные землетрясения в зонах субдукции, так называемые «мегаземлетрясения», происходят именно в зонах плоской субдукции. Крутая субдукция (угол субдукции более 70°) происходит в зонах субдукции, где океаническая кора и литосфера Земли холодные и толстые и, следовательно, потеряли плавучесть. Недавние исследования также выявили корреляцию между крутыми углами субдукции и более молодыми и менее обширными зонами субдукции. Это объясняет, почему большинство современных зон субдукции относительно круты. Самая крутая зона субдукции находится в Марианской впадине, где также расположена самая старая на Земле океаническая литосфера юрского возраста, за исключением офиолитов. В отличие от плоской субдукции, крутая субдукция связана с растяжением верхней плиты, образованием вулканических дуг и отрывом фрагментов континентальной коры от континентов, что приводит к образованию окраинных морей.

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.

Начало субдукции

Хотя стабильная субдукция достаточно хорошо изучена, механизм инициирования субдукции остаётся предметом дискуссий и продолжающихся исследований. Субдукция может начаться спонтанно, если более плотная океаническая литосфера способна провалиться и погрузиться под смежную океаническую или континентальную литосферу исключительно за счёт вертикального воздействия. В качестве альтернативы, существующие движения плит могут индуцировать образование новых зон субдукции, горизонтально деформируя океаническую литосферу до разрыва и последующего погружения в астеносферу. Обе модели в конечном итоге могут привести к формированию самоподдерживающихся зон субдукции, поскольку океаническая кора, метаморфизируясь на большой глубине, становится плотнее окружающих пород мантии. Анализ событий инициирования зон субдукции за последние 100 миллионов лет указывает на преобладание горизонтально индуцированного инициирования для большинства современных зон субдукции, что подтверждается геологическими исследованиями. Однако некоторые результаты аналогового моделирования демонстрируют возможность спонтанной субдукции, обусловленной внутренними различиями в плотности между плитами в определенных местах, таких как пассивные окраины и вдоль трансформных разломов. Существуют свидетельства того, что это происходило в системе субдукции Идзу-Бонин-Мариана. На ранних этапах истории Земли субдукция, вероятно, инициировалась без горизонтального воздействия из-за отсутствия относительного движения плит, хотя А. Инь предположил, что удары метеоритов могли способствовать инициированию субдукции на ранней Земле. Несмотря на популярность идеи инициирования субдукции на пассивных окраинах, в настоящее время не существует современных примеров такого типа нуклеации субдукции. Это, вероятно, связано с прочностью океанической или переходной коры на континентальных пассивных окраинах, что позволяет предположить, что если кора не разрушилась в течение первых 20 миллионов лет своего существования, то вряд ли она разрушится в будущем под воздействием нормальной седиментационной нагрузки. Только дополнительное ослабление коры посредством горячеточечного магматизма или экстенсионального рифтинга позволит ей оторваться от континента и начать субдукцию.

Конец субдукции

Субдукция может продолжаться до тех пор, пока океаническая литосфера поступает в зону субдукции. Однако, прибытие плавучей континентальной литосферы в зону субдукции может привести к увеличению сцепления в желобе и вызвать реорганизацию границы плит. Прибытие континентальной коры приводит к континентальному столкновению или аккреции террейнов, что может прервать субдукцию. Континентальная кора может погружаться на глубины, где она может достичь точки невозврата. Участки коры или внутриокеанической дуги толщиной более или океаническое плато толщиной более могут нарушить субдукцию. Однако, субдукция островных дуг может вызывать лишь локальные нарушения, в то время как дуга, прибывающая параллельно зоне, может полностью остановить субдукцию. Это произошло с плато Онтонг-Джава и Витязьским желобом.

Метаморфизм

В зонах субдукции встречается уникальное разнообразие типов пород, образованных в условиях высокого давления и низкой температуры, с которыми сталкивается субдуцирующая плита при погружении. Метаморфические условия, через которые проходит плита в этом процессе, создают и разрушают содержащие воду (гидратированные) минеральные фазы, высвобождая воду в мантию. Эта вода понижает температуру плавления мантийных пород, инициируя плавление. Понимание времени и условий протекания этих реакций обезвоживания является ключевым для интерпретации плавления мантии, магматизма вулканических дуг и формирования континентальной коры. Метаморфические фации характеризуются стабильным минеральным комплексом, специфичным для определенного диапазона давления и температуры и исходного материала. Метаморфизм зон субдукции характеризуется низкотемпературным, высоким и ультравысоким давлением, что проявляется в метаморфическом пути через стабильные зоны цеолитовой, прехнито-помпеллитовой, голубосланцевой и эклоготовой фаций субдуцированной океанической коры. Комплексы цеолитовой и прехнито-помпеллитовой фаций могут присутствовать или отсутствовать, поэтому начало метаморфизма может быть отмечено только условиями голубосланцевой фации. Субдуцирующие плиты состоят из базальтовой коры, покрытой пелагическими отложениями; однако пелагические отложения могут быть аккрецированы на нависающую часть передней дуги и не подвергаться субдукции. Большинство метаморфических фазовых переходов, происходящих в субдуцирующей плите, обусловлены обезвоживанием гидратированных минеральных фаз. Разложение гидратированных минеральных фаз обычно происходит на глубинах более 10 км. Каждая из этих метаморфических фаций характеризуется наличием специфического стабильного минерального комплекса, отражающего метаморфические условия, которым подверглась субдуцирующая плита. Переходы между фациями приводят к обезвоживанию водянистых минералов при определенных условиях давления и температуры и, следовательно, могут быть прослежены до событий плавления в мантии под вулканической дугой.

Магматизм дуги

На Земле обычно наблюдаются два вида дуг: островные дуги, формирующиеся на океанической литосфере (например, островные дуги Марианских и Тонгаских островов), и континентальные дуги, такие как Каскадная вулканическая дуга, которые формируются вдоль побережья континентов. Островные дуги (внутриокеанические или примитивные дуги) образуются в результате субдукции океанической литосферы под другую океаническую литосферу (субдукция океан-океан), в то время как континентальные дуги (андийские дуги) формируются во время субдукции океанической литосферы под континентальную литосферу (субдукция океан-континент). Примером вулканической дуги, имеющей как островные, так и континентальные участки, является область за зоной субдукции Алеутского желоба на Аляске. Вулканы, возникающие над зонами субдукции, такие как гора Сент-Хеленс, гора Этна и гора Фудзи, расположены примерно в ста километрах от желоба в дугообразных цепях, называемых вулканическими дугами. Плутоны, такие как Полукупол в национальном парке Йосемити, обычно формируются на глубине 10–50 км под вулканами в пределах вулканических дуг и становятся видимыми на поверхности только после выветривания вулканов. Вулканизм и плутонизм происходят в результате обезвоживания субдуцирующей океанической плиты по мере достижения ею более высоких давлений и температур. Когда океаническая плита достигает глубины около 100 км, содержащие воду минералы становятся нестабильными и высвобождают флюиды в астеносферу. Эти флюиды действуют как флюс для породы в астеносфере, вызывая ее частичное плавление. Частично расплавленный материал легче и поднимается в литосферу, где формирует крупные магматические камеры, называемые диапирами. Часть магмы достигает поверхности земной коры, образуя вулканы, и при извержении на поверхности Земли производит андезитовую лаву. Магма, остающаяся в литосфере достаточно долго, остывает и образует плутонические породы, такие как диорит, гранодиорит и иногда гранит. Магматизм дуг происходит на расстоянии ста–двухсот километров от желоба и примерно в ста километрах над субдуцирующей плитой. Вулканические дуги производят около 10% от общего объема магмы, образующейся каждый год на Земле (примерно 0,75 кубических километров), что значительно меньше объема, образующегося на срединно-океанических хребтах, но они сформировали большую часть континентальной коры. Вулканизм дуг оказывает наибольшее влияние на человека, поскольку многие вулканы расположены над уровнем моря и извергаются с большой силой. Аэрозоли, выбрасываемые в стратосферу во время мощных извержений, могут вызвать быстрое охлаждение климата Земли и повлиять на авиаперелеты. Магматизм дуг играет роль в углеродном цикле Земли, высвобождая субдуцированный углерод в результате вулканических процессов. Более старая теория утверждает, что углерод из субдуцирующей плиты становится доступным в вышележащих магматических системах посредством декарбонизации, при которой CO₂ высвобождается в результате метаморфизма силикатных карбонатов. Фреззоти и др. (2011) предлагают другой механизм переноса углерода в налегающую плиту посредством растворения (выделения углерода из углеродсодержащих минералов в водный раствор) вместо декарбонизации. Их доказательства основаны на тщательном изучении минеральных и флюидных включений в низкотемпературных (<600 °C) алмазах и гранатах, найденных в эклогитовых фациях в Альпах. Химия включений подтверждает существование богатой углеродом жидкости в этой среде, а дополнительные химические измерения более низких давлений и температур в том же тектоническом комплексе поддерживают модель растворения углерода (а не декарбонизации) как способ переноса углерода. Изучая геометрию зоны субдукции и сравнивая степень кривизны нижней плиты субдуцирующей плиты при крупных исторических землетрясениях, таких как землетрясение в Суматре-Андамане в 2004 году и землетрясение Тохоку в 2011 году, было установлено, что магнитуда землетрясений в зонах субдукции обратно пропорциональна углу субдукции вблизи желоба, то есть "чем более пологий контакт между двумя плитами, тем выше вероятность возникновения мега-землетрясений". Землетрясения внешнего поднятия на нижней плите происходят, когда нормальные разломы в сторону океана в зоне субдукции активируются изгибом плиты при ее погружении в зону субдукции. Землетрясение в Самоа в 2009 году является примером такого события. Смещение морского дна, вызванное этим событием, породило шестиметровое цунами вблизи Самоа. Сейсмическая томография помогла обнаружить субдуцированные литосферные плиты в глубине мантии, где нет землетрясений. Около ста плит было описано с точки зрения глубины, времени и места субдукции. Крупные сейсмические разрывы в мантии на глубинах и прерываются опусканием холодных плит в глубоких зонах субдукции. Некоторые субдуцированные плиты, похоже, испытывают трудности с проникновением через основной разрыв, который отмечает границу между верхней и нижней мантией на глубине около 670 километров. Другие субдуцированные океанические плиты погрузились до границы ядра и мантии на глубине 2890 км. Обычно плиты замедляются при погружении в мантию, от нескольких см/год (до ~10 см/год в некоторых случаях) в зоне субдукции и в верхней мантии до ~1 см/год в нижней мантии. Субдукция также может вызывать орогенез без вовлечения океанического материала, который аккрецируется к налегающему континенту. Когда нижняя плита субдуцирует под небольшим углом под континент (явление, называемое "субдукцией плоской плиты"), субдуцирующая плита может оказывать достаточное тяготение на дно континентальной плиты, чтобы вызвать сжатие верхней плиты посредством складчатости, разломов, утолщения коры и горообразования. Субдукция плоской плиты вызывает горообразование и вулканизм, перемещающиеся вглубь континента, вдали от желоба, и была описана в западной Северной Америке (т. е. лармидский орогенез, и в настоящее время на Аляске, в Южной Америке и в Восточной Азии. Результаты показывают, что как минимум 229 километров северной австралийской континентальной плиты было субдуцировано. Другим примером может служить продолжающееся движение Индии на север, которая субдуцируется под Азию. Столкновение двух континентов началось около 50 миллионов лет назад, но все еще продолжается.

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.

Внутриокеанская: субдукция океана/океанской плиты

Океанские зоны субдукции океанических плит составляют около 40% всех границ зон субдукции на планете. Взаимодействие океанских плит может приводить к зонам субдукции между океаническими и континентальными плитами, что подчеркивает важность понимания данной обстановки субдукции. Хотя причины инициации субдукции океанической плиты под другую океаническую плиту до конца не выяснены, Байтч Гирарделло и др. предложили три основные модели, объясняющие различные режимы, существующие в этой обстановке. Модели следующие: 1) Отступающая субдукция: возникает из-за слабого сцепления между нижней и верхней плитами, что приводит к образованию бассейна обратной дуги и перемещению зоны субдукции за счет отката плиты; 2) Стабильная субдукция: возникает из-за умеренного сцепления между нижней и верхней плитами. Зона субдукции обычно остается на месте, а субдуцирующая плита погружается под постоянным углом; и 3) Наступающая субдукция: возникает из-за сильного сцепления между верхней и нижней плитами. Утолщение субдуцирующихся осадочных пород приводит к образованию частично расплавленных мантийных плюмов над погружающейся плитой.

Столкновение дуги и глобальный климат

В своем исследовании 2019 года Макдональд и соавторы предположили, что зоны столкновения дуг с континентами и последующая надвиговая тектоника океанической литосферы, по крайней мере частично, контролировали глобальный климат. Их модель основана на столкновении континентальных дуг в тропических зонах, где обнаженные офиолиты, состоящие преимущественно из мафических пород, повышают "глобальную восприимчивость к выветриванию" и приводят к накоплению углерода посредством процессов выветривания силикатов. Это накопление представляет собой поглотитель углерода, удаляющий углерод из атмосферы и вызывающий глобальное охлаждение. В их исследовании установлена корреляция между несколькими фанерозойскими офиолитными комплексами, включая зоны активной субдукции дуг с континентами, и известными периодами глобального охлаждения и оледенения. В данной работе циклы Миланковича не рассматриваются как фактор, определяющий цикличность глобального климата.

Начало субдукции на Земле

Современный стиль субдукции характеризуется низкими геотермальными градиентами и связанным с ними образованием высокодавливых низкотемпературных пород, таких как эклогит и блюэшист. Аналогичным образом, скальные ассоциации, называемые офиолитами, связанные с современным стилем субдукции, также указывают на подобные условия. Оба этих факта опровергают прежние представления о том, что субдукция современного типа началась в неопротерозойскую эру 1,0 млрд лет назад. В 1964 году Джордж Плафкер исследовал землетрясение на Аляске, произошедшее в Страстную пятницу. Он пришел к выводу, что причиной землетрясения стала реакция на мега-толчок в Алеутском жёлобе, вызванная наложением аляскинской континентальной коры на тихоокеанскую океаническую кору. Это означало, что тихоокеанская кора погружалась, или субдуцировала, под аляскинскую кору. Концепция субдукции сыграла важную роль в развитии теории тектоники плит. Первые геологические упоминания термина "субдукция" датируются 1970 годом. В обычном английском языке глаголы *to subduct* или *to subduce* (от латинского *subducere* – «уводить») являются переходными, требующими субъекта, совершающего действие над объектом, отличным от него самого – здесь нижней плитой, которая затем и субдуцируется («удаляется»). В геологии используется термин «поглощается», который происходит в момент, когда нижняя плита подныривает под другую, хотя она может сохраняться некоторое время до повторного плавления и рассеивания. В этой концептуальной модели плита постоянно потребляется. Личность субъекта, потребителя или агента потребления, остаётся неуказанной. Некоторые источники принимают эту конструкцию «субъект-объект». Геология превращает субдукцию в непереходный и возвратный глагол. Сама нижняя плита является субъектом. Она субдуцирует, в смысле отступает или удаляется сама, и в процессе этого является «субдуцирующей плитой». Более того, термин «плита» (slab) специально применяется к «субдуцирующей плите», хотя в английском языке верхняя плита в такой же степени является плитой. Верхняя плита остаётся как бы «висящей». Чтобы выразить это, геологии приходится переходить к другому глаголу, обычно – «надвигаться» (override). Верхняя плита, являясь субъектом, выполняет действие надвигания на объект – нижнюю плиту, которая надвигается.

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.