Субдукция океанической литосферы

Можно, конечно, предположить, что непрерывно наращиваемые в рифтовых системах океанов литосферные плиты ведут себя как льдины во время ледохода - они сталкиваются, дробятся, громоздятся одна на другую, образуя своеобразные "торосы". Далее, можно предположить, что эти торосы - участки повышенной мощности литосферы - и есть современные континенты, тем более, что они сложены наиболее древними породами и в их составе немало пород явно морского происхождения. Однако проблема эта значительно сложнее. Простой расчет показывает, что при объеме континентальной литосферы в 40 млрд. км³ и современной скорости спрединга потребуется всего 250 млн. лет, чтобы сформировать все континенты. В то же время возраст древнейших пород на континентах превышает 3,5 млрд. лет.

Единственно возможным объяснением этого противоречия служит предположение о том, что большая часть океанической литосферы, сформировавшаяся за все время существования рифтовой системы, исчезла с поверхности планеты, погрузившись в ее недра.

Вспомните аналогичный вывод, который был получен при сопоставлении современной скорости осадконакопления и объема океанических осадков. Остается допустить погружение литосферных плит в недра Земли вместе с покрывающими их осадками, и только в этом случае можно получить соответствие расчетного количества осадков их фактическому объему.

Где же следует искать места погружения литосферных плит в недра Земли? Ученые считают, что такими участками являются глубочайшие впадины на Земле - узкие, вытянутые глубоководные желоба на периферии океанов. В соответствии со второй гипотезой теории тектоники литосферных плит здесь происходит их поглощение, или субдукция; таким образом, наращиваемые в срединно-океанических хребтах литосферные плиты своей другой стороной заталкиваются в глубоководные желоба, под океаническое дно. Чаще всего океаническая плита уходит под континентальную, более мощную и сложенную менее плотными породами. Так происходит, например, на восточной окраине Азиатского континента, под которую пододвигается Тихоокеанская океаническая плита. Погружаясь в астеносферу, океаническая плита попадает в область высоких давлений и температур, где она постепенно плавится и растворяется.

При этом наиболее легкие компоненты по трещинам поднимаются вверх и, достигая поверхности, образуют подводные и наземные вулканы островных дуг и побережий.

Гипотеза субдукции подтверждена многочисленными геолого-геофизическими данными. В частности, как уже отмечалось, по результатам сейсмологических исследований под глубоководным желобом прослеживается узкая зона зарождения землетрясений, имеющая форму плоскости, круто (под углом 45-60°) уходящей под островную дугу или континент (см. рис. 19). Эту зону, называемую зоной Вадати - Заарицкого - Беньофа, или ВЗБ (рис. 39, а), прослеживают до глубин 500-600 км и отождествляют с плоскостью глубинного разлома, по которому океаническая плита пододвигается под континентальную. В соответствии с гипотезой субдукции землетрясения в этой зоне имеют тектоническую природу и обусловлены трением пододвигаемой океанической литосферы о континентальную плиту (рис. 39, б). Сам процесс пододвигания носит прерывистый характер; за счет наращивания литосферной плиты в рифтовой долине на периферии океана возникают напряжения сжатия. Механическая энергия аккумулируется и, как только она превысит силу трения в зоне ВЗБ, происходит проскальзывание некоторой части океанической плиты под континентальную на 10-20 см, что компенсирует наращивание плиты; затем снова начинается аккумуляция напряжений и т. д. Собственно момент пододвигания одной плиты под другую длится доли секунды, и в этот момент срезаются или сминаются основные неровности контактирующих плит, мешающие субдукции, - выступы океанического дна, гайоты. Разрушение этих неровностей и играет роль источников упругих колебаний и регистрируется как землетрясение. Рыхлые и пластичные океанические осадки, покрывающие базальтовое ложе, по-видимому, проскальзывают вместе с пододвигаемой плитой, выполняя роль своеобразной смазки.

Эти представления о механизме субдукции послужили основой для пока фантастических проектов обуздания землетрясений. Действительно, если причиной землетрясений является преодоление трения при взаимном проскальзывании плит, то следует попытаться ему воспрепятствовать. Для этого в пределах островных дуг предлагалось пробурить серию сверхглубоких скважин глубиной 60-100 км, способных достигнуть плоскости разлома в зоне ВЗБ, и закачать туда цементный раствор или какой-либо другой цементирующий материал. Обе плиты окажутся плотно скрепленными, и землетрясения прекратятся.

Возможно, что это так. Однако при этом никак не устраняется источник напряжений в срединно-океаническом хребте. Поэтому такая цементация плит может лишь отодвинуть на некоторое время очередное проскальзывание, за это время накопится дополнительная механическая энергия, высвобождение которой во время землетрясения может оказаться катастрофическим.

Тогда был предложен другой, не менее фантастический проект - закачать в ту же систему сверхглубоких скважин не скрепляющее, а, наоборот, смазывающее вещество, например обычную морскую воду. Это позволит небольшими порциями разряжать возникающие механические напряжения; землетрясения станут более частыми, но очень слабыми, практически незаметными для человека и будут регистрироваться только приборами.

Пока еще нет технических возможностей для реализации подобных фантастических проектов. Однако несомненно, что зона ВЗБ чрезвычайно активна в сейсмическом отношении и воздействие на нее могло бы сделать эти грозные явления природы хотя бы в какой-то мере контролируемыми или регулируемыми человеком.

Рис. 39. Зона субдукции океанической литосферы в районе Японских островов: а - схема погружения зоны ВЗБ; б - профильный разрез I-I. 1 - Японский глубоководный желоб; изолинии: 2 - глубин зоны ВЗБ, км, 3 - теплового потока, ^мВт/_м²; 4 - действующие вулканы

Гипотеза субдукции в общем подтверждается и другими геологическими и геофизическими данными. Приведенные в предыдущем разделе материалы свидетельствуют о том, что глубоководным желобам соответствуют минимумы теплового потока (см. рис. 39), связанные с областью поглощения "холодной" океанической литосферы. Далее, при приближении к континенту, в пределах внешней части островной дуги и окраинного моря уже отмечаются максимумы теплового потока, связанные с подъемом легкоплавких веществ погрузившейся океанической плиты.

Подтверждают гипотезу субдукции и гравиметрические данные, по которым глубоководным желобам соответствуют зоны глубокого некомпенсированного прогибания литосферы; островным дугам - существенное нарушение изостатического равновесия, а окраинным морям - разуплотнение и увеличение мощности астеносферы.

Еще более наглядно подтверждают гипотезу субдукции результаты магнитных съемок. Обычно в пределах глубоководного желоба происходит резкое изменение характера магнитного поля - линейные, полосовые аномалии океанического дна (строго параллельные оси срединно-океанического хребта) сменяются изометричными аномалиями желобов и островных дуг. Более того, в некоторых желобах (Японском, Яванском) установлено, что линейные магнитные аномалии океанического дна пересекаются осью желоба, что неоспоримо свидетельствует о пододвигании океанической плиты под континентальную - это происходит тогда, когда оси рифта и глубоководного желоба образуют значительный угол.

Соответствуют гипотезе субдукции и данные о магматизме островных дуг. Анализ распределения минералов в эффузивных породах показывает, что их выплавление из океанической литосферы возможно лишь в условиях высоких давлений, начиная с 1-2 тыс. МПа, и температур выше 1200-1500°С в недрах Земли, т. е. глубже 20-30 км. Поднимающиеся вверх расплавы легких алюмосиликатов внедряются в верхнюю мантию и земную кору, образуя обширные интрузии. И только часть этих расплавов достигает поверхности литосферы, образуя вулканы на суше или под водой.

Поэтому, с учетом наклона плоскости ВЗБ, вулканизм характерен не для ближайшей к желобу части континентальной литосферы, а проявляется на некотором удалении от желоба в зависимости от угла наклона и скорости субдукции. Можно считать также, что и сами островные дуги, расположенные как раз на расстоянии проявления вулканизма, в значительной степени сложены его продуктами.

Интрузивная же форма магматизма, по-видимому, имеет значительно более широкое распространение и охватывает не только островную дугу, но и окраинные моря. Интрузии легких алюмосиликатов обогащают кору кремнеземом и приводят к увеличению ее мощности. Так постепенно за счет внедрения расплавов алюмосиликатов происходит наращивание мощности коры и превращение ее из переходной в типично континентальную.