Под океаном массивные тектонические плиты сталкиваются и трутся друг о друга, что приводит одна под другую. Это мощное столкновение, называемое субдукцией, отвечает за формирование вулканических дуг, в которых происходят некоторые из самых драматических геологических событий на Земле, такие как взрывные извержения вулканов и мегаземлетрясения..
Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, меняет наше понимание того, как образуются лавовые дуги вулканов, и может иметь значение для изучения землетрясений и рисков вулканических извержений.
Исследователи под руководством Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI) обнаружили ранее неизвестный процесс плавления сильно перемешанных метаморфических пород, известных как меланжевые породы, которые образуются в результате сильного напряжения во время субдукции на границе плиты и мантии..
До сих пор долгое время считалось, что образование лавы началось с сочетания флюидов из субдуцированной тектонической плиты или плиты и расплавленных отложений, которые затем просачивались в мантию. Оказавшись в мантии, они смешаются и вызовут дальнейшее таяние и, в конечном итоге, извергнутся на поверхность.
«Наше исследование ясно показывает, что преобладающая модель расплава жидкости/наносов не может быть правильной», - говорит Суне Нильсен, геолог WHOI и ведущий автор статьи. «Это важно, потому что почти все интерпретации геохимических и геофизических данных о зонах субдукции за последние два десятилетия основаны на этой модели».
Вместо этого Нильсен и его коллеги обнаружили, что меланж на самом деле уже присутствует в верхней части плиты до того, как происходит смешивание с мантией.
«Это исследование впервые показывает, что плавление меланжа является основной движущей силой взаимодействия плиты и мантии», - говорит Нильсен.
Это важное различие, потому что ученые используют измерения изотопов и микроэлементов для определения состава дуговых лав и лучшего понимания этой критической области зон субдукции. Когда и где происходит смешивание, плавление и перераспределение микроэлементов, возникают совершенно разные соотношения изотопных сигнатур.
Исследование основано на предыдущей работе коллеги и соавтора Нильсена Хорста Маршалла из Университета Гёте во Франкфурте, Германия. Основываясь на полевых наблюдениях за обнажениями меланжа, Маршалл отметил, что капли меланжевого материала низкой плотности, называемые диапирами, могут медленно подниматься с поверхности погружающейся плиты и переносить хорошо перемешанные материалы в мантию под дуговыми вулканами.
«Модель меланж-диапир была вдохновлена компьютерными моделями и подробными полевыми исследованиями в различных частях мира, где горные породы, происходящие из глубоких слоев плиты и мантии, были подняты на поверхность тектоническими силами», - Маршалл. говорит.«Мы обсуждаем эту модель уже по крайней мере пять лет, но многие ученые считали, что меланжные породы не играют никакой роли в образовании магм. Они отвергли эту модель как «геофантазию».
В своей новой работе Нильсен и Маршалл сравнили соотношения компонентов обеих моделей с химическими и изотопными данными из опубликованных исследований восьми глобально репрезентативных вулканических дуг: Марианских, Тонга, Малых Антильских островов, Алеутских островов, Рюкю, Скотии, Курильской и Сунда.
«Наш широкомасштабный анализ показывает, что модель смешивания меланжа почти идеально соответствует литературным данным в каждой дуге по всему миру, в то время как преобладающие линии смешивания осадочного расплава и флюидов сильно отличаются от фактических данных», - говорит Нильсен.
Понимание процессов, происходящих в зонах субдукции, важно по многим причинам. Зоны субдукции, которые часто называют двигателем планеты, являются основными областями, где вода и углекислый газ, содержащиеся на старом морском дне, возвращаются обратно в недра Земли, играя решающую роль в контроле долгосрочного климата и эволюции теплового баланса планеты..
Эти сложные процессы происходят в масштабах от десятков до тысяч километров в течение от месяцев до сотен миллионов лет, но могут вызвать катастрофические землетрясения и смертоносные цунами, которые могут произойти за секунды.
«Большая часть опасностей вулканических и землетрясений на Земле связана с зонами субдукции, и некоторые из этих зон расположены рядом с местами проживания сотен миллионов людей, например, в Индонезии», - говорит Нильсен. «Понимание причин, почему и где происходят землетрясения, зависит от знания или понимания того, какой тип материала на самом деле присутствует там внизу и какие процессы происходят».
Исследовательская группа говорит, что результаты исследования требуют переоценки ранее опубликованных данных и пересмотра концепций, касающихся процессов в зоне субдукции. Поскольку меланжные породы в значительной степени игнорировались, почти ничего не известно об их физических свойствах или диапазоне температур и давлений, при которых они плавятся. Будущие исследования по количественной оценке этих параметров должны дать еще более глубокое понимание роли меланжа в зонах субдукции и контроля, который он оказывает на генерацию землетрясений и вулканизм зоны субдукции.