Дно Тихого океана раскалывается в реальном времени: геофизики зафиксировали разрыв литосферной плиты у острова Ванкувер

Литосферные плиты непрерывно движутся по поверхности мантии Земли. В зонах спрединга, вдоль океанических хребтов, поднимающееся магматическое вещество остывает и формирует новую океаническую кору. По мере удаления от хребта плита остывает на протяжении десятков миллионов лет, становится тяжелее и плотнее. В зонах субдукции этот остывший край океанической литосферы уходит под край континента и опускается в глубины мантии.

Главной силой, поддерживающей это движение, является гравитационное затягивание погружающегося края плиты. В геофизике эту силу называют термином slab pull. Плотность холодной океанической плиты заметно выше плотности окружающей ее горячей мантии. За счет этой разницы температур и плотностей погружающаяся часть плиты своим весом непрерывно тянет за собой все остальное океаническое полотно. Эта сила превосходит все остальные тектонические факторы на порядок. Именно она обеспечивает стабильное движение океанического дна.

Остановить такой отлаженный процесс крайне сложно. Долгое время геологи предполагали два сценария завершения субдукции. В первом случае путь плите преграждает крупный фрагмент суши — например, микроконтинент или мощное океаническое плато. Континентальная кора состоит из легких минералов, ее плотность слишком низка для того, чтобы уйти в мантию. В результате зона субдукции блокируется, а океанический желоб закрывается.

Во втором случае к зоне субдукции вплотную подходит сам срединно-океанический хребет. Литосфера вблизи хребта сформировалась совсем недавно. Она тонкая, прогрета глубинным теплом и имеет низкую плотность. Такая плита обладает естественной положительной плавучестью. Она не может погружаться в мантию и одновременно не обладает достаточной прочностью, чтобы передавать силу гравитационного натяжения от старого глубокого края к поверхности.

В этой точке возникает фундаментальный физический конфликт: глубокая холодная часть плиты продолжает тянуть вниз, а молодая теплая часть сопротивляется погружению. В результате плита должна разорваться, а субдукция — остановиться.

До настоящего времени пространственные и временные детали этого процесса оставались неизученными. Ученые не знали, как именно разрушается плита: происходит ли разрыв одновременно по всей длине зоны схождения или процесс идет отдельными изолированными сегментами.

Группа исследователей под руководством геофизиков из США и Канады опубликовала в журнале Science Advances результаты детального зондирования северного сегмента зоны субдукции Каскадия. С помощью глубокой сейсмической томографии ученые впервые зафиксировали полную механику разрушения литосферной плиты непосредственно в процессе остановки субдукции.

Природный полигон у острова Ванкувер

Для изучения механики разрыва авторы работы выбрали акваторию Тихого океана у острова Ванкувер. В этой области сформировалась редкая конфигурация: сочленение типа «хребет — желоб — разлом». Здесь взаимодействуют сразу четыре тектонических элемента: крупная Северо-Американская плита, Тихоокеанская плита, плита Хуан-де-Фука и небольшая микроплита Эксплорер.

Геологическая история этой области известна по анализу полосовых магнитных аномалий океанического дна. Вплоть до отметки в 4 миллиона лет назад плиты Хуан-де-Фука и Эксплорер представляли собой единое целое и погружались под континент с одинаковой скоростью.

Затем сопротивление подошедшего к желобу теплого края плиты в сочетании со смещением вектора движения соседней Тихоокеанской плиты привело к резкой перестройке всей системы. Ось спредингового хребта скачкообразно сместилась на запад. Это событие отделило от плиты Хуан-де-Фука северный участок, который превратился в независимую микроплиту Эксплорер.

В результате этого разделения скорость движения микроплиты Эксплорер под континент снизилась до 2 сантиметров в год. При этом соседняя плита Хуан-де-Фука сохранила прежний темп движения — более 4 сантиметров в год.

Границу между двумя блоками с разной скоростью заняла зона разлома Нутка (Nootka Fault Zone, NFZ). Это трансформный разлом, в котором края плит скользят горизонтально в противоположных направлениях. Он протянулся на сотни километров от северного края хребта Хуан-де-Фука прямо к деформационному фронту зоны субдукции.

Для детального сканирования недр в этой области использовались данные экспедиции CASIE21 на исследовательском судне Marcus G. Langseth. Комплекс оборудования включал многокилометровую плавающую косу с гидрофонами и мощные пневматические излучатели звуковых волн.

Сгенерированные упругие колебания проходили сквозь толщу океана, проникали в земную кору, отражались от геологических границ и регистрировались датчиками. Применение алгоритмов глубинной миграции до суммирования (PSDM) позволило восстановить трехмерную структуру коры и верхней мантии на глубинах до 40 километров, устранив оптические искажения, которые обычно создают сложные подводные структуры.

Полученные профили сопоставили с базами данных землетрясений, точно определив положение гипоцентров и ориентацию плоскостей смещения в очагах.

Подготовка коры: раскрытие древних трещин и действие воды

Сейсмические профили, пересекающие океаническое дно перед входом в желоб, показали неожиданную картину строения литосферы. На поверхности разлом Нутка выражен полосой шириной около 20 километров, где дно рассечено уступами и выходами флюидов с высоким содержанием метана.

Однако глубокое сканирование выявило значительно более обширную зону нарушений, ширина которой превышает 100 километров. Это палеозона разлома Нутка, возникшая еще 4 миллиона лет назад.

На глубинах от 5 до 20 километров, охватывая нижние горизонты коры и верхнюю мантию, сейсмические приборы зафиксировали густую сеть наклонных отражающих поверхностей. Геометрический анализ показал, что истинный наклон этих поверхностей составляет около 60 градусов, а их направление в точности повторяет ориентацию первичных разломов абиссальных холмов.

Эти трещины возникли в океанической коре в момент ее рождения в осевой части срединного хребта. Когда литосфера начала испытывать сопротивление погружению, тектонические напряжения не стали ломать монолитную породу в новом направлении. Они активировали уже существовавшую систему параллельных трещин, заложенных миллионы лет назад.

Второй критический фактор, выявленный авторами исследования, связан с осадконакоплением. До периода примерно 1,7-1,0 миллиона лет назад океаническое дно в этом районе не было покрыто плотным слоем глинистых непроницаемых осадков. Вся 100-километровая зона деформаций долгое время оставалась открытой для прямого контакта с придонными океаническими водами.

Холодная морская вода свободно циркулировала по открытым глубинным трещинам на глубину до 20 километров, достигая ультраосновных пород верхней мантии — перидотитов. Взаимодействие воды с горячими силикатами магния и железа вызывало гидротермальные реакции и серпентинизацию. В минеральной структуре пород появлялась связанная вода, что привело к резкому снижению их плотности и прочностных характеристик.

Присутствие серпентинизированных пород вдоль плоскостей разломов создало сильный скачок акустического сопротивления, который и отображается на сейсмических снимках в виде аномально ярких полос.

Длительная гидротермальная переработка превратила широкий участок плиты в ослабленную зону. С течением времени, по мере накопления сдвиговых деформаций, вся нагрузка сконцентрировалась в относительно узком коридоре — современном разломе Нутка, подготовив условия для последующего разрыва погруженной плиты.

Разрыв на глубине: геометрия подземного слома

Главные результаты исследователи получили на участках, расположенных в 30-50 километрах к востоку от деформационного фронта, где плиты уже погрузились под край североамериканского материка и лежат под шельфом острова Ванкувер. Здесь океаническая литосфера полого уходит под континент под углом от 3 до 6 градусов.

Сейсмические профили выявили сильную асимметрию в строении погружающихся участков по разные стороны от разлома Нутка.

Под микроплитой Эксплорер сейсмографы зафиксировали сформированный разрыв литосферы. Кровля океанической коры и граница Мохо (рубеж между корой и мантией) резко обрываются вниз на глубину около 5 километров на горизонтальном расстоянии всего в 2 километра.

С этим геометрическим уступом идеально совпадает пространственное распределение землетрясений. Очаги подземных толчков формируют крутопадающую, почти вертикальную стену, уходящую от кровли слэба до глубины более 40 километров. Механизмы очагов показывают преобладание нормальных сбросов: породы здесь испытывают интенсивное растяжение, и нижний край плиты соскальзывает вниз относительно верхнего.

Под соседней плитой Хуан-де-Фука ситуация выглядит совершенно иначе. Сейсмический профиль, проходящий всего в нескольких десятках километров южнее, не показывает резкого вертикального обрыва. Вместо него плита плавно изгибается в моноклинальную складку протяженностью около 10 километров. Высота этого изгиба составляет те же 5 километров, однако литосфера здесь еще сохраняет сплошность.

Землетрясения распределены значительно шире и менее плотно. Это указывает на то, что плита Хуан-де-Фука находится лишь на начальной стадии механической деформации, которая еще не переросла в сквозной разлом.

Оба участка деформации — как развитый разрыв Эксплорер, так и плавный изгиб Хуан-де-Фука — вытянуты параллельно глубоководному желобу. Однако между ними есть пространственное расхождение: линии разломов смещены относительно друг друга по горизонтали на 20 километров. Границей этого смещения служит подземное продолжение трансформного разлома Нутка.

Роль трансформного разлома в разделении слэба

Сопоставление геометрии разломов и скоростей движения плит позволило ученым восстановить динамику процесса во времени. Первоначально разрыв слэба не был разделен. Он возник на северном краю плиты Эксплорер из-за чрезмерных растягивающих напряжений и начал постепенно распространяться на юго-восток вдоль береговой линии.

Однако на пути распространения этого продольного разлома находилась ослабленная зона разлома Нутка, ориентированная перпендикулярно направлению желоба. Поперечный трансформный разлом рассек литосферную плиту по всей ее толщине и остановил свободное развитие продольной трещины.

Левостороннее горизонтальное смещение в зоне Нутка стало растаскивать разорванные края в противоположные стороны. Разница в скоростях движения между плитами Эксплорер и Хуан-де-Фука составляет приблизительно 20 миллиметров в год. Чтобы сместить две части разлома на зафиксированные 20 километров, системе потребовался ровно один миллион лет.

Этот расчет точно сходится с независимыми оценками геологов, согласно которым окончательная концентрация напряжений в современном русле разлома Нутка завершилась именно около одного миллиона лет назад.

Таким образом, трансформный разлом сработал как изолирующий барьер. Он отсек микроплиту Эксплорер от основного массива литосферы Хуан-де-Фука. Это позволило микроплите замедлить свое движение и начать независимое разрушение, в то время как более крупная соседняя плита продолжила погружаться дальше.

Перераспределение сил и реакция мантии

Отделение погружающейся части плиты от поверхностной вызвало цепную реакцию во всей геодинамической системе региона.

Когда связь между верхней и нижней частями плиты Эксплорер нарушилась, сила гравитационного натяжения перестала удерживать верхний край. Это привело к эффекту разгрузки: верхняя часть плиты перед зоной разлома изогнулась вверх. На сейсмических профилях этот подъем зафиксирован в виде характерной дугообразной деформации слоев коры.

Одновременно исчезновение силы затягивания на участке Эксплорер привело к перераспределению напряжений по всей границе субдукции. Гравитационная нагрузка отделившегося блока частично переместилась на сплошную плиту Хуан-де-Фука.

Это отразилось на форме границы плит на дне океана: линия желоба и фронт деформации сместились в сторону суши напротив отделившейся плиты Эксплорер и, напротив, выдвинулись в сторону океана на участке Хуан-де-Фука, куда теперь прикладывается основное растягивающее усилие.

Глубинный разрыв слэба открыл прямой доступ в зону субдукции горячему мантийному веществу из подплитного пространства. Появилось так называемое мантийное окно (slab window).

Данные по расщеплению сейсмических волн указывают на полную перестройку глубинных потоков в мантии. Под плитой Хуан-де-Фука астеносфера течет прямолинейно в направлении движения тонущей плиты. Под микроплитой Эксплорер поток меняет направление более чем на 90 градусов: он поворачивает и начинает циркулировать вокруг края оторванного слэба, устремляясь в образовавшийся тектонический зазор.

Подъем горячего астеносферного вещества сквозь этот разрыв объясняет геологическую аномалию на материке. В вулканическом поясе Гарибальди и на вулканическом поле Уэлс-Грей в Британской Колумбии присутствуют лавы четвертичного возраста, состоящие из щелочных оливиновых базальтов.

Подобный геохимический состав не характерен для обычных зон субдукции, где магма формируется за счет плавления пород в присутствии воды из погружающейся плиты. Напротив, эти базальты идентичны расплавам глубинной внутриплитной мантии. Их появление на поверхности континента стало прямым следствием затекания горячей астеносферы в разрыв между плитами.

Сегментированная модель остановки субдукции

Собранные данные позволяют пересмотреть классические представления о том, как завершается субдукция в масштабах планеты.

Ранее предполагалось, что при приближении океанического хребта к желобу погружающаяся плита отрывается целиком по всей длине схождения. Новые результаты доказывают, что этот процесс протекает сегментированно и распределен во времени:

1. Первичное торможение молодой коры приводит к образованию крупных сдвиговых трансформных зон, которые используют ранее существовавшие трещины абиссальных холмов.
2. Циркуляция океанической воды по этим нарушениям химически изменяет мантийные породы и снижает механическую прочность коры вдоль разломов.
3. Продольный разрыв плиты, возникающий под действием гравитационного натяжения, пересекается с поперечным трансформным разломом.
4. Трансформный разлом рассекает зону деформации, изолируя отдельный участок литосферы в виде микроплиты.
5. На изолированном участке происходит быстрый локальный отрыв слэба, в то время как соседние сегменты плиты продолжают субдуцировать без нарушений.

Такой ступенчатый механизм устраняет противоречие между теоретическими геодинамическими моделями и полевыми наблюдениями. Компьютерное моделирование ранее предсказывало одновременное разрушение плит, тогда как в геологической летописи ученые постоянно находили свидетельства сложного пошагового затухания вулканизма.

Новая модель объясняет строение древних зон конвергенции — в частности, тихоокеанского побережья Калифорнии и Нижней Калифорнии. Там в эпоху миоцена при распаде плиты Фараллон субдукция прекращалась отдельными этапами, оставив после себя брошенные микроплиты Магдалена и Гваделупе, следы локальных разворотов коры и цепочки разновозрастных излияний лав через мантийные окна.

В северной Каскадии этот процесс еще не завершен, но его исход уже определен геометрией разломов. В ближайшие миллионы лет глубокая часть микроплиты Эксплорер полностью опустится в мантию и ассимилируется ею.

Верхняя часть микроплиты окончательно потеряет скорость, прекратит погружение и механически прирастет к краю континентальной коры Северной Америки либо станет частью Тихоокеанской плиты.

В результате этого события общая протяженность зоны субдукции Каскадия сократится примерно на 75 километров — на одну двенадцатую часть от всей ее нынешней длины. Тройственное сочленение плит скачкообразно сместится на юго-восток, к новому устойчивому положению.

Данные эксперимента показывают: трансформные разломы — это не просто пассивные границы скольжения океанических блоков. Они служат активными структурными барьерами, которые разрезают литосферу на части, определяют геометрию глубинных разрывов и поэтапно отключают тектонический конвейер субдукции.

Источник: Science Advances