Литосферните плочи непрекъснато се движат по повърхността на мантията на Земята. В зоните на разширяване, по протежение на океаничните хребети, издигащата се магматична маса се охлажда и образува нова океанска кора. С отдалечаването от хребета плочата се охлажда в продължение на десетки милиони години, става по-тежка и по-плътна. В зоните на субдукция този охладен край на океанската литосфера се плъзга под края на континента и се потапя в дълбините на мантията.
Основната сила, която поддържа това движение, е гравитационното привличане на потапящия се край на плочата. В геофизиката тази сила се нарича slab pull. Плътността на студената океанска плоча е значително по-висока от плътността на обкръжаващата я гореща мантия. Благодарение на тази разлика в температурите и плътностите потъващата част на плочата с тежестта си непрекъснато влачи след себе си цялата останала част от океанската плоча. Тази сила превъзхожда всички останали тектонични фактори с един порядък. Именно тя осигурява стабилното движение на океанското дъно.
Протичащите процесиИзключително трудно е да се спре този добре организиран процес. Дълго време геолозите предполагаха два сценария за приключването на субдукцията. В първия случай пътят на плочата се прегражда от голям фрагмент суша, например микроконтинент или масивно океанско плато. Континенталната кора се състои от леки минерали, нейната плътност е твърде ниска, за да потъне в мантията. В резултат на това зоната на субдукция се блокира, а океанският жлеб се затваря.
Литосферата и горната мантия на Земята под Тихия океан, свободна интерпретация
Във втория случай до зоната на субдукция се доближава самият срединно-океански хребет. Литосферата в близост до хребета се е формирала съвсем наскоро. Тя е тънка, затоплена от дълбинна топлина и има ниска плътност. Тази плоча притежава естествена положителна плавучест. Тя не може да се потапя в мантията и в същото време не притежава достатъчна якост, за да предава силата на гравитационното напрежение от стария дълбок край към повърхността.
КонфликтътВ тази точка възниква фундаментален физичен конфликт: дълбоката студена част на плочата продължава да тегли надолу, а младата топла част се съпротивлява на потапянето. В резултат на това плочата трябва да се разкъса, а субдукцията да спре.
Досега пространствените и времевите детайли на този процес оставаха неизследвани. Учените не знаеха как точно се разрушава плочата: дали разкъсването става едновременно по цялата дължина на зоната на сближаване или процесът протича в отделни, изолирани сегменти.
Група изследователи под ръководството на геофизици от САЩ и Канада публикува в списание Science Advances резултатите от подробно проучване на северния сегмент на зоната на субдукция Каскадия. С помощта на дълбока сеизмична томография учените за първи път засякоха цялостната механика на разрушаването на литосферната плоча непосредствено по време на спирането на субдукцията.
Природният полигон край остров Ванкувър
Остров Ванкувър
За да изследват механиката на разкъсването, авторите на статията са избрали акваторията на Тихия океан край остров Ванкувър. В този район се е формирала рядка конфигурация: съединение от типа „гръб, жлеб, разлом“. Тук взаимодействат едновременно четири тектонични елемента: голямата Североамериканска плоча, Тихоокеанската плоча, плочата Хуан-де-Фука и малката микроплоча Експлорър.
Геоложката история на този район е известна благодарение на анализа на лентовидните магнитни аномалии на океанското дъно. Допреди 4 милиона години плочите Хуан-де-Фука и Експлорър са представлявали едно цяло и са се потапяли под континента с еднаква скорост.
След това съпротивлението на топлия край на плочата, достигнал до жлеба, в съчетание с изместването на вектора на движение на съседната Тихоокеанска плоча, е довело до рязка преструктуриране на цялата система. Оста на разширителния хребет рязко се е изместила на запад. Това събитие е отделило от плочата Хуан-де-Фука северния участък, който се е превърнал в независима микроплоча Експлорер.
Скоростта на движение на плочитеВ резултат на това разделяне скоростта на движение на микроплочата Експлорер под континента е намаляла до 2 сантиметра на година.
При това съседната плоча Хуан-де-Фука е запазила предишния си темп на движение, над 4 сантиметра на година.
Границата между двата блока с различна скорост е заета от зоната на разлома Нутка (Nootka Fault Zone, NFZ). Това е трансформен разлом, в който краищата на плочите се плъзгат хоризонтално в противоположни посоки. Той се простира на стотици километри от северния край на хребета Хуан-де-Фука направо към деформационния фронт на зоната на субдукция.
За подробно сканиране на недрата в тази област бяха използвани данни от експедицията CASIE21 на изследователския кораб Marcus G. Langseth. Комплексът от оборудване включваше многокилометрова плаваща решетка с хидрофони и мощни пневматични излъчватели на звукови вълни.
Генерираните еластични колебания преминават през дебелината на океана, проникват в земната кора, отразяват се от геоложките граници и се регистрират от сензорите. Прилагането на алгоритми за дълбока миграция преди сумиране (PSDM) позволи да се възстанови триизмерната структура на земната кора и горната мантия на дълбочини до 40 km, като се елиминираха оптичните изкривявания, които обикновено създават сложните подводни структури.
Получените профили бяха съпоставени с бази данни за земетресения, като бяха точно определени местоположението на хипоцентрите и ориентацията на равнините на разместване в огнищата.
Тектоничен възел в северната част на Каскадия. В горния ляв ъгъл е показана общата граница на сближаване на плочите: океанската кора се потапя под Североамериканския континент по протежение на веригата от вулкани в Каскадските планини. На вмъкнатата илюстрация вдясно, подробен изглед на изследваната област край остров Ванкувър
Разломът на дълбочина: геометрията на подземния разлом
Основните резултати изследователите получиха в участъци, разположени на 30–50 km източно от деформационния фронт, където плочите вече са се потапяли под края на северноамериканския континент и лежат под шелфа на остров Ванкувър. Тук океанската литосфера плавно се потапя под континента под ъгъл от 3 до 6°.
Сейсмичните профили разкриха силна асиметрия в структурата на потапящите се участъци от двете страни на разлома Нутка.
Под микроплочата Explorer сеизмографите са регистрирали образувало се разкъсване на литосферата. Покривът на океанската кора и границата на Мохо (границата между кората и мантията) рязко се спускат надолу на дълбочина около 5 km на хоризонтално разстояние от едва 2 km.
Пространственото разпределение на земетресенията съвпада идеално с този геометричен откос. Епицентрите на подземните трусове образуват стръмно спускаща се, почти вертикална стена, простираща се от покрива на плочата до дълбочина над 40 km. Механизмите на епицентрите показват преобладаване на нормални срязвания: скалите тук са подложени на интензивно разтягане, а долният край на плочата се плъзга надолу спрямо горния.
Съседната сеизмична плочаПод съседната плоча Хуан-де-Фука ситуацията изглежда съвсем различно. Сейсмичният профил, минаващ само на няколко десетки километра южнее, не показва рязък вертикален срив. Вместо това плочата плавно се извива в моноклинална гънка с дължина около 10 km. Височината на това извиване е само 5 km, но литосферата тук все още запазва своята цялост.
Инструментално потвърждение на разкъсването на плочата под континента. В горния ляв ъгъл (профил PD02) е регистрирано разкъсване на микроплочата Explorer: горната част на кората се измества надолу с 5 km по кратък участък от 2 km. Лилавите точки вдясно нагледно показват вертикалната стена от земетресения, простираща се на дълбочина до 40 km по протежение на линията на разлома. Долу (профил PD03) за сравнение е показана плочата Хуан-де-Фука: тук скалната маса все още запазва целостта си, образувайки само плавна наклонена извивка
Земетресенията са разпределени значително по-широко и по-рядко. Това показва, че плочата Хуан-де-Фука се намира едва в начален етап на механична деформация, която все още не е прераснала в напречен разлом.
И двата участъка на деформация, както развитият разлом „Експлорър“, така и плавната извивка „Хуан де Фука“, са изтеглени успоредно на дълбоководния жлеб. Само че между тях има пространствено разминаване: линиите на разломите са изместени една спрямо друга по хоризонтала с 20 km. Границата на това изместване е подземното продължение на трансформния разлом Нутка.
Ролята на трансформния разлом в разделянето на плочатаСравнението на геометрията на разломите и скоростите на движение на плочите позволи на учените да възстановят динамиката на процеса във времето. Първоначалното разкъсването на плочата не е било разделено. То е възникнало на северния край на плочата Explorer поради прекомерни опъващи напрежения и е започнало постепенно да се простира на югоизток по протежение на бреговата линия.
Само че по пътя на разпространение на този надлъжен разлом се е намирала отслабената зона на разлома Нутка, ориентирана перпендикулярно на посоката на жлеба. Напречният трансформен разлом е разсякъл литосферната плоча по цялата ѝ дебелина и е спрял свободното развитие на надлъжната пукнатина.
Лявостраничното хоризонтално преместване в зоната Нутка е започнало да разтяга разкъсаните краища в противоположни посоки. Разликата в скоростите на движение между плочите Explorer и Juan de Fuca възлиза на приблизително 20 mm годишно. За да измести двете части на разлома с фиксираните 20 km, на системата са били необходими точно един милион години.
Триизмерна схема на разрушаването на плочата в зоната на съединението между плочите. Трансформният разлом Нутка (NFZ) пресича океанската литосфера перпендикулярно на бреговата линия. Той пресича надлъжния разлом, развиващ се в потъналата част на плочата, и изолира микроплочата „Експлорър“. В резултат на това отделеният фрагмент губи силата на гравитационното привличане и забавя движението си, докато съседната плоча Хуан-де-Фука продължава стабилно да се потапя в дълбините на мантията.
Този разчет точно съвпада с независимите оценки на геолозите, според които окончателното натрупване на напрежения в съвременното русло на разлома Нутка е приключило именно преди около един милион години.
По този начин трансформният разлом е действал като изолираща бариера. Той е отделил микроплочата „Експлорър“ от основния масив на литосферата на Хуан-де-Фука. Това е позволило на микроплочата да забави движението си и да започне самостоятелно разрушаване, докато по-голямата съседна плоча е продължила да се потапя по-нататък.
Ролята на новия сеизмичен моделНовият модел обяснява структурата на древните зони на конвергенция, по-конкретно на тихоокеанското крайбрежие на Калифорния и Долна Калифорния. Там, през миоцена, при разпадането на Фаралонската плоча субдукцията е спирала на отделни етапи, оставяйки след себе си изоставени микроплочи „Магдалена“ и „Гуадалупе“, следи от локални преобръщания на кората и вериги от лавови изливания на различна възраст през мантийни прозорци.
В северната част на Каскадия този процес все още не е приключил, но неговият изход вече е определен от геометрията на разломите. През следващите милиони години дълбоката част на микроплочата Explorer ще се потапи изцяло в мантията и ще бъде асимилирана от нея.
Горната част на малката плоча окончателно ще загуби скорост, ще престане да се потапя и механично ще се присъедини към края на континенталната кора на Северна Америка или ще стане част от Тихоокеанската плоча.
В резултат на това събитие общата дължина на зоната на субдукция Каскадия ще се съкрати с приблизително 75 km, което е една дванадесета част от цялата ѝ настояща дължина. Тройното съединение на плочите ще се премести скачкообразно на югоизток, към ново устойчиво положение.
Данните от експеримента показват, че трансформните разломи не са просто пасивни граници на плъзгане на океанските блокове. Те служат като активни структурни бариери, които разделят литосферата на части, определят геометрията на дълбоките разломи и поетапно изключват тектоничния конвейер на субдукцията.