Островные дуги: формирование, структура и эволюция.

Введение

географическая особенность Дугообразный архипелаг, сформированный интенсивной сейсмической активностью протяженных цепей активных вулканов

Островные дуги – это протяженные цепи активных вулканов с интенсивной сейсмической активностью, расположенные вдоль зон схождения тектонических плит. Большинство островных дуг образуются на океанической коре и являются результатом погружения литосферы в мантию вдоль зоны субдукции. Они играют ключевую роль в росте континентов. Островные дуги могут быть активными или неактивными, в зависимости от их сейсмичности и наличия вулканов. Активные дуги представляют собой хребты молодых вулканов, связанные с глубокой сейсмической зоной. Они характеризуются отчетливо выраженной дугообразной формой, цепочкой активных или недавно погасших вулканов, глубоководным желобом и значительной отрицательной аномалией Бугера на вогнутой стороне вулканической дуги. Небольшая положительная гравитационная аномалия, связанная с островными дугами, многими исследователями интерпретируется как результат наличия плотных вулканических пород под дугой. Неактивные дуги – это цепочки островов, сложенные более древними вулканическими и вулканокластическими породами. Форма многих вулканических цепей и угол погружения литосферы взаимосвязаны. Если океаническая часть плиты представлена морским дном на вогнутой стороне дуги, а зона изгиба располагается под подводным желобом, то отклоненная часть плиты приблизительно совпадает с зоной Бениоффа под большинством дуг.

Местоположение

Большинство современных островных дуг расположены вблизи континентальных окраин (особенно в северных и западных окраинах Тихого океана). Однако прямых доказательств изнутри самих дуг, подтверждающих, что они всегда находились в своем нынешнем положении относительно континентов, нет, хотя данные, полученные с некоторых континентальных окраин, указывают на то, что некоторые дуги могли мигрировать к континентам в позднем мезозое или раннем кайнозое. Это границы плит, где кора не уничтожается и не создается. Таким образом, современное положение этих неактивных островных цепей обусловлено современной конфигурацией литосферных плит. Однако их вулканическая история, свидетельствующая о том, что они являются фрагментами более древних островных дуг, не обязательно связана с современной структурой плит и может быть обусловлена различиями в положении границ плит в прошлом.

Тектоническое образование

Понимание источника тепла, вызывающего плавление мантии, долгое время было дискуссионной проблемой. Ранее исследователи полагали, что тепло генерируется трением в верхней части субдуцирующей плиты. Однако это маловероятно, поскольку вязкость астеносферы уменьшается с ростом температуры, и при температурах, необходимых для частичного плавления, астеносфера станет настолько маловязкой, что сдвиговое плавление станет невозможным. В настоящее время считается, что вода является основным агентом, инициирующим частичное плавление под островными дугами. Показано, что количество воды, содержащееся в опускающейся плите, связано с температурой плавления мантии: чем больше воды, тем ниже температура плавления мантии. Эта вода высвобождается в процессе трансформации минералов при увеличении давления, при этом наибольшее количество воды несет минерал серпентинит. Эти метаморфические минеральные реакции приводят к обезвоживанию верхней части плиты по мере ее погружения. Тепло также передается плите из окружающей астеносферы. По мере передачи тепла в плиту формируются температурные градиенты, в результате которых астеносфера вблизи плиты становится холоднее и более вязкой, чем окружающие области, особенно вблизи ее верхней части. Эта более вязкая астеносфера затем увлекается вниз вместе с плитой, что вызывает приток менее вязкой мантии позади нее. Считается, что взаимодействие этой нисходящей мантии с водными флюидами, поднимающимися из погружающейся плиты, приводит к частичному плавлению мантии при пересечении ею влажного солида. Кроме того, некоторые расплавы могут образовываться в результате подъема горячего мантийного материала в мантийном клине. Если горячий материал поднимается достаточно быстро, чтобы потери тепла были незначительными, снижение давления может вызвать плавление вследствие разгрузки давления. На стороне, обращенной к островной дуге, находится глубокий и узкий океанический желоб, который является поверхностным проявлением границы между опускающейся и наезжающей плитами. Этот желоб формируется под действием гравитационного притяжения относительно плотной субдуцирующей плиты на ее переднем крае. Вдоль этой границы субдукции происходит множество землетрясений, сейсмические гипоцентры которых располагаются на увеличивающейся глубине под островной дугой, образуя зону Бениоффа. Островные дуги могут формироваться в внутриокеанических условиях, из фрагментов континентальной коры, отколовшихся от прилегающих континентальных массивов, или в связи с вулканической активностью, обусловленной субдукцией на окраинах континентов.

Understanding the source of heat that causes the melting of the mantle was a contentious problem. Researchers believed that the heat was produced through friction at the top of the slab. However, this is unlikely because the viscosity of the asthenosphere decreases with increasing temperature, and at the temperatures required for partial fusion, the asthenosphere would have such a low viscosity that shear melting could not occur. It is now believed that water acts as the primary agent that drives partial melting beneath arcs. It has been shown that the amount of water present in the down going slab is related to the melting temperature of the mantle. The greater the amount of water present, the more the melting temperature of the mantle is reduced. This water is released during the transformation of minerals as pressure increases, with the mineral carrying the most water being serpentinite. These metamorphic mineral reactions cause the dehydration of the upper part of the slab as the hydrated slab sinks. Heat is also transferred to it from the surrounding asthenosphere. As heat is transferred to the slab, temperature gradients are established such that the asthenosphere in the vicinity of the slab becomes cooler and more viscous than surrounding areas, particularly near the upper part of the slab. This more viscous asthenosphere is then dragged down with the slab causing less viscous mantle to flow in behind it. It is the interaction of this down welling mantle with aqueous fluids rising from the sinking slab that is thought to produce partial melting of the mantle as it crosses its wet solidus. In addition, some melts may result from the up welling of hot mantle material within the mantle wedge. If hot material rises quickly enough so that little heat is lost, the reduction in pressure may cause pressure release or decompression partial melting. On the subducting side of the island arc is a deep and narrow oceanic trench, which is the trace at the Earth's surface of the boundary between the down going and overriding plates. This trench is created by the downward gravitational pull of the relatively dense subducting plate on the leading edge of the plate. Multiple earthquakes occur along this subduction boundary with the seismic hypocenters located at increasing depth under the island arc: these quakes define the Benioff zone. Island arcs can be formed in intra oceanic settings, or from the fragments of continental crust that have migrated away from an adjacent continental land mass or at subduction related volcanoes active at the margins of continents.

Особенности

Ниже приведены некоторые общие характеристики, свойственные большинству островных дуг. Передняя дуга: этот регион включает в себя желоб, аккреционную призму и бассейн передней дуги. На обращенной к океану стороне системы наблюдается выпуклость от желоба (например, Барбадос в Малых Антильских островах). Бассейн передней дуги формируется между хребтом передней дуги и островной дугой; это область спокойного, горизонтально слоистого осадконакопления. Желоба: это самые глубокие части океанических бассейнов, самым глубоким из которых является Марианский желоб (примерно 36 000 футов (10 973 м)). Они образуются в результате изгиба океанической литосферы, развиваясь на океанической стороне островных дуг. Бассейн задней дуги: их также называют окраинными морями, и они формируются на внутренней, вогнутой стороне островных дуг, ограниченных хребтами задней дуги. Они развиваются в ответ на тектонические напряжения растяжения, вызванные рифтингом существующей островной дуги. Зона Бениоффа или зона Вадати-Бениоффа: это плоскость, погружающаяся под налегающую плиту, где происходит интенсивная вулканическая активность, определяемая местоположением сейсмических событий под дугой. Землетрясения происходят от поверхности до глубины около 660 км. Угол наклона зон Бениоффа варьируется от 30° до почти вертикального. Между континентальным краем и островными дугами на вогнутой стороне дуги может формироваться океанический бассейн. Эти бассейны имеют кору, которая является либо океанической, либо промежуточной между обычной океанической корой и корой, типичной для континентов; тепловой поток в этих бассейнах выше, чем в обычных континентальных или океанических областях. При этом большинство дуг отделены от континентальной коры. Движение между двумя литосферными плитами объясняет основные особенности активных островных дуг. Островная дуга и небольшой океанический бассейн расположены на налегающей плите, которая соприкасается с опускающейся плитой, содержащей нормальную океаническую кору вдоль зоны Бениоффа. Резкое опускание океанической плиты вниз образует желоб.