Сейсмологія: зона Беньоффа та субдукція
Нанесіть на графік кожен землетрус під зоною субдукції за розташуванням і глибиною — і з'явиться разючий візерунок: замість випадкового розкиду землетруси окреслюють гладку похилу площину, що простягається від жолоба вниз до 600-700 км. Ця площина — зона Вадаті-Беньоффа: сейсмічний рентген тектонічної плити під час її занурення в мантію, і один з найяскравіших доказів субдукції плит, коли-небудь виявлених.
1. Відкриття: Вадаті та Беньофф
У 1930-х роках японський сейсмолог Кійо Вадаті помітив, що землетруси під Японією відбувалися не лише на очікуваних неглибоких корових глибинах — деякі виникали на сотнях кілометрів у глибину, і їхнє розташування окреслювало похилий візерунок, що занурювався під континент. Два десятиліття потому американський сейсмолог Х'юго Беньофф незалежно підтвердив і розширив той самий візерунок для зон субдукції по всьому світу, і ця особливість тепер носить обидва їхні імена.
2. Неглибокі, проміжні та глибокофокусні землетруси
Сейсмологи класифікують землетруси зони субдукції на три діапазони глибин, кожен з яких домінується різним фізичним механізмом.
| Клас | Діапазон глибин | Домінантний механізм | Типова небезпека |
|---|---|---|---|
| Неглибокий | 0-70 км | Звичайне тертьове розломоутворення на межі плит | Найсильніші коливання, цунамі (найбільші землетруси на Землі відбуваються тут) |
| Проміжний | 70-300 км | Дегідратаційна крихкість через розпад водневмісних мінералів і вивільнення рідини | Помірна; все ще може руйнувати міста безпосередньо над |
| Глибокофокусний | 300-700 км | Трансформаційне розломоутворення в метастабільному олівіні | Рідко руйнівна на поверхні, попри велику магнітуду |
Майже всі найбільші, найруйнівніші землетруси в задокументованій історії — включно з подіями Тохоку 2011 року та Суматра-Андаман 2004 року — це неглибокі мегарозломні землетруси на самій межі плит, а не глибокофокусні події; але глибші класи лишаються науково критично важливими, оскільки вони є єдиним прямим сейсмічним вікном у те, як поводиться плита після виходу з неглибокого, звичного тертьового режиму.
3. Трансформаційне розломоутворення: землетруси, яких не мало б бути
Звичайні землетруси відбуваються через тертьове ковзання по розлому — але за тисків за межами приблизно 300 км глибини обмежувальний тиск настільки величезний, що мав би миттєво стиснути будь-яку тріщину, запобігаючи тому виду прилипання-ковзання, що породжує неглибокі землетруси. Однак землетруси явно відбуваються аж до 700 км. Провідне пояснення — трансформаційне розломоутворення.
Цей механізм пояснює, чому глибокофокусні землетруси майже повністю обмежені зонами субдукції: ніде більше на Землі холодний, метастабільний мінеральний матеріал не зберігається за таких тисків достатньо довго, щоб накопичити обсяг нетрансформованого олівіну, потрібний для нуклеації розриву.
4. Загадка межі 660 км
Глибокофокусні землетруси майже повністю припиняються нижче приблизно 660-700 км — що близько збігається з основною межею мінерального фазового переходу, яка також розділяє верхню й нижню мантію. Це не збіг, хоча точна причина досі активно обговорюється.
- Втрата метастабільного матеріалу: до 660-700 км плита зазвичай нагрілася й трансформувалася достатньо, щоб клин нетрансформованого метастабільного олівіну, який, як вважається, рухає трансформаційне розломоутворення, фактично вичерпався.
- Стрибок в'язкості: різке зростання в'язкості мантії нижче 660 км може змушувати багато плит фізично деформуватися, вигинатися чи затримуватися, а не проникати чисто, змінюючи локальний режим напружень.
- Стагнація плити: сейсмічна томографія показує, що багато плит сплющуються й накопичуються прямо над цією межею на десятки мільйонів років, що узгоджується з опором нижньої мантії, який обмежує подальше занурення, і з тим, що землетруси скупчуються саме на цій глибині, а не нижче.
5. Картування геометрії плити за сейсмічністю
Оскільки землетруси зони Беньоффа відбуваються всередині самої холодної плити, десятиліття накопичених даних про гіпоцентри фактично функціонують як тривимірне сейсмічне сканування форми, нахилу, кривизни, скручення та будь-яких розривів плити — інформація, недосяжна жодним іншим методом, крім повної мантійної томографії (яка сама часто перехресно перевіряється проти даних зони Беньоффа).
Розриви плити
Прогалини в площині сейсмічності часто виявляють, де субдукуюча плита фізично розірвалася, іноді пов'язані зі змінами геохімії вулканічної дуги над розривом.
Сплющення плити
Раптове зменшення кута нахилу на глибині, видиме як згин у площині Беньоффа, часто позначає місце, де плиті опирається вища в'язкість нижньої мантії.
Подвійні сейсмічні зони
Деякі зони субдукції показують дві паралельні, тісно розташовані площини проміжної сейсмічності, що, як вважається, відображають напруження згину у верхній і нижній частинах плити.
Вікна плити
Там, де субдукція припинилася або хребет спредингу був субдукований, у зоні Беньоффа відкривається прогалина, дозволяючи гарячій астеносферній мантії піднятися крізь отвір.
6. Кут нахилу та його наслідки
Кут нахилу субдукції — наскільки круто занурюється плита — сильно варіюється між зонами субдукції й значно формує поверхневу геологію над нею.
| Приклад | Приблизний кут нахилу | Помітний наслідок |
|---|---|---|
| Перу-Чилі (пласкі сегменти) | 5-10° | Вулканічна дуга відключається; неглибока сейсмічність поширюється далеко вглиб материка |
| Каскадія | ~10-25° | Широка зона замкнутого мегарозлому, широкий слід небезпеки |
| Японія (Пн.-Сх. Хонсю) | ~30° | Добре розвинена, класична геометрія вулканічної дуги |
| Тонга / Маріанська | 60-90° | Дуже глибока сейсмічність, що сягає близько 700 км, вузька дуга |
Вважається, що пласка субдукція відбувається там, де незвично плавучий шматок океанічної кори (субдукований океанічний плато чи ланцюг підводних гір) чинить опір зануренню, тягнучи всю плиту в менш крутий кут і виштовхуючи вулканізм далеко вглиб материка або повністю його вимикаючи — візерунок, що спостерігається сьогодні під частинами Анд.
7. Чому глибокі землетруси рідко спричиняють цунамі
Навіть великі глибокофокусні землетруси, іноді з магнітудою понад 8, рідко потрапляють у заголовки через руйнування на поверхні так, як неглибокі мегарозломні землетруси, оскільки сейсмічна енергія має пройти крізь сотні кілометрів породи, перш ніж досягти поверхні — значно розсіюючись, заломлюючись і затухаючи по дорозі.
Крім того, оскільки глибокофокусні землетруси відбуваються далеко під морським дном, а не безпосередньо зміщуючи його, вони рідко породжують значні цунамі, на відміну від неглибоких мегарозломних подій, де раптове вертикальне зміщення самого морського дна штовхає товщу води над собою і запускає хвилю. Глибокі землетруси лишаються науково захопливими саме тому, що їхній сейсмічний сигнал гучний, тоді як їхній слід на поверхні порівняно тихий.
Часті запитання
Що таке зона Вадаті-Беньоффа?
Зона Вадаті-Беньоффа — це похила площинна смуга вогнищ землетрусів, що окреслює контур субдукуючої тектонічної плити під час її занурення в мантію, вперше незалежно виявлена японським сейсмологом Кійо Вадаті та американським сейсмологом Х'юго Беньоффом у 1930-1950-х роках. Нанесення на графік розташування й глибини тисяч землетрусів під зоною субдукції виявляє похилу площину, а не випадковий розкид, оскільки землетруси скупчуються вздовж і всередині холодної, крихкої, все ще жорсткої плити.
Чому землетруси стають рідшими, коли вони глибші вздовж зони Беньоффа?
У міру занурення плита нагрівається через теплопровідність від навколишньої гарячої мантії й зазнає мінеральних фазових переходів, обидва з яких змінюють спосіб її деформації; нижче приблизно 300 км землетруси стають дедалі рідшими, оскільки все менше ділянок плити лишаються достатньо холодними й крихкими, щоб зазнавати сейсмічного руйнування, і практично жодних землетрусів не відбувається нижче приблизно 700 км, де вся плита вже достатньо нагрілася й трансформувалася, щоб деформуватися асейсмічним (в'язким) потоком натомість.
Як порода може ламатися, як крихкий землетрус, на глибині 500-600 км, де тиск має запобігати звичайному розтріскуванню?
За таких тисків звичайне тертьове ковзання по тріщині фактично неможливе, оскільки обмежувальний тиск миттєво стис би будь-яку тріщину; провідне пояснення — трансформаційне розломоутворення, коли метастабільний мінерал (олівін, що ще не трансформувався у свій високотисковий поліморф, оскільки холодне ядро плити відстає від навколишньої теплішої мантії) раптово трансформується, і пов'язана з цим зміна об'єму запускає ковзання по розломоподібній площині всередині трансформованого матеріалу.