1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Доклады Российской академии наук. Науки о Земле
  4. T. 494, № 2, 2020

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 2, стр. 42-47

Особенности субдукции в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг

Академик РАН Е. И. Гордеев 1, 2, *, член-корреспондент РАН И. Ю. Кулаков 1, 3, 4, Н. М. Шапиро 2, 5

1 Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук
Петропавловск-Камчатский, Россия

2 Институт физики Земли Российской академии наук
Москва, Россия

3 Институт нефтегазовой геологии и геофизики Сибирского отделения наук Российской академии наук
Новосибирск, Россия

4 Новосибирский государственный университет
Новосибирск, Россия

5 Институт наук о Земле, CNRS, Университет Гренобль-Альпы
Гренобль, Франция

* E-mail: gordeev@kscnet.ru

Поступила в редакцию 10.06.2020
После доработки 22.07.2020
Принята к публикации 23.07.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрены особенности строения зоны сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг, полученных разными методами с использованием различных экспериментальных данных. Модели структуры среды по сейсмотомографическим результатам по поверхностным волнам и по исследованиям анизотропии поперечных сейсмических волн в астеносфере под субдукционной плитой определяют восходящий астеносферный поток разогретого вещества и флюидов вдоль северной границы литосферной плиты. Существование восходящего астеносферного потока в зоне стыка Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг было недавно подтверждено детальными сейсмотомографическими построениями по объемным волнам. Дополнительное питание вулканов Ключевской группы от астеносферного потока объясняет значительную разницу в продуктивности вулканов Ключевской группы по сравнению с другими вулканами Восточного вулканического пояса Камчатки. По сравнительному анализу продуктивности четвертичных вулканов Восточного вулканического пояса показано, что существует явно выраженное уменьшение продуктивности вулканов Восточного вулканического пояса с севера на юг, т.е. по мере удаления от окончания субдукционной плиты. Это уменьшение, скорее всего, связано с уменьшением проникновения магматических расплавов вдоль субдукционной плиты от астеносферного потока в зоне стыка Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг.

Ключевые слова: астеносферный поток, сейсмическая томография, сочленение Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг, субдукция, литосферная плита

Субдукция в Курило-Камчатском вулканическом поясе вызвана взаимодействием литосферных плит. Тихоокеанская океаническая плита погружается под континентальную Евроазиатскую (Северо-Американскую?). Детальное исследование структуры зоны субдукции на Камчатке позволило определить основные параметры зоны вдоль границы контакта взаимодействующих литосферных плит [1]. Возраст погружающейся океанической плиты постепенно уменьшается с юга на север (диапазон 50° с.ш.–56° с.ш.) от 104.5 млн лет до 77 млн лет, максимальная глубина землетрясений уменьшается от 500 до 100 км и протяженность сейсмически активного участка в зоне субдукции меняется от 700 до 230 км. Угол погружения плиты на Камчатском участке Курило-Камчатской дуги от 50° с.ш. до 55° с.ш. практически остается постоянным и составляет около 55°. Севернее, до сочленения Курило-Камчатской дуги с Алеутской, строение зоны субдукции изменяется. Если до широты в 55° отмечается постепенное уменьшение максимальной глубины гипоцентров землетрясений с 500 до 300 км, то севернее происходит резкое изменение с 300 до 100 км, и угол погружения плиты уменьшается до 35°. Вулканический фронт почти линейный на широтах 50°–55° севернее смещается на северо-запад, и Тихоокеанская литосферная плита изгибается в этом же направлении и исчезает в зоне стыка с Алеутской дугой на широте около 56.5°. Как было показано ранее [2–4], на границе северной оконечности литосферной плиты формируется восходящий астеносферный поток. Наличие восходящего астеносферного потока было определено по результатам томографии по поверхностным волнам и по исследованиям анизотропии поперечных сейсмических волн в астеносфере под субдукционной плитой. Исчезновение субдукционной плиты в зоне стыка Алеутской дуги и Камчатки связано с существованием мантийного плюма, который с глубин более 1000 км поднимается к поверхности [5]. Как было предположено в работе [3], от 10 млн лет до 5 млн лет назад исчез древний слэб, возникший при субдукции литосферы Командорской впадины; около 2 млн лет назад северный участок Тихоокеанской литосферной плиты отделился и погрузился в мантию. Таким образом возникло окно в зоне стыка Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг. Более того, влияние мантийного плюма вызвало частичное плавление субдукционной плиты в западной части Алеутской дуги с возникновением зоны с отсутствием субдукционной плиты, так называемый “slab portal” [6]. Существование восходящего астеносферного потока в зоне стыка Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг было недавно подтверждено сейсмотомографическими построениями по объемным волнам [7]. На рис. 1 показана реконструкция поступления мантийных расплавов в районе окончания субдукционной плиты.

Рис. 1.

Схема распространения магматичеких расплавов от астеносферного потока на границе Тихоокеанской литосферной плиты. Зоны повышенных скоростей S-волн отмечены синим цветом, а пониженных, связанных с зонами расплавов и флюидов желто-красным цветом. Черными точками отмечены гипоцентры землетрясений. Открытыми белыми кружками указаны потоки флюидов с верхней границы погружающейся плиты. Черными стрелками отмечено возможное распространение астеносферного потока. Точечная линия определяет границу Мохо.

Как было показано в работе [8], дополнительное питание вулканов Ключевской группы от астеносферного потока объясняет значительную разницу в продуктивности вулканов Ключевской группы по сравнению с другими вулканами Восточного вулканического пояса Камчатки. На рис. 2 отчетливо прослеживается низкоскоростная аномалия на глубине 50 км от вулкана Шивелуч до вулкана Кизимен. Эту аномалию можно рассматривать как проникновение магматических расплавов вдоль зоны субдукции от вертикального астеносферного потока на границе субдукционной плиты.

Рис. 2.

В левой части рисунка показана структура аномалий скоростей Р-волн под Ключевской группой вулканов на глубине 50 км. Справа скоростные аномалии продольных (Р-волн) и поперечных (S-волн) по глубинному разрезу на профиле 1А–1В (влк. Кизимен (KIZ) – влк. Шивелуч (SHE)). Точками отмечены гипоцентры землетрясений под вулканами и в зоне субдукции.

Строение скоростной структуры среды в работе [7] возможно было получить только до влк. Кизимен. Система наблюдений не позволяла построить сейсмотомографические модели для вулканов Восточного вулканического пояса Камчатки южнее Кизимена. Хотя можно предположить, что влияние астеносферного потока распространилось и на более южные вулканы. Для проверки такого предположения была посчитана удельная продуктивность для всех четвертичных вулканов Восточного вулканического пояса. Продуктивность оценивалась по объемам вулканических построек. Конечно, при таком методе оценки объемов изверженных продуктов может не учитываться эксплозивная часть, но обычно при эксплозивных извержениях пепловые облака выносят незначительную долю от общего объема продуктов извержения. Во время вулканических взрывов большая часть отложений в виде шлаков и вулканических бомб формируют вулканические постройки.

В табл. 1 приведен список вулканов Восточного вулканического пояса, для которых были рассчитаны объемы изверженных продуктов.

Таблица 1.

Вулканы Восточного вулканического пояса Камчатки

Номер Название вулкана Высота, м Объем, км3 Широта Долгота
1 Эбеко 1152 4.8 50°58′ 156°02′
2 Алаид 2339 40.2 50°51′ 155°33′
3 Камбальный 2156 31.47 51°18′ 156°54′
4 Кошелевский 1812 18.68 51°21′ 156°45′
5 Дикий Гребень 1079 3.94 51°27′ 156°59′
6 Ильинский 1578 12.34 51°30′ 157°12′
Итого     111.43    
7 Желтовский 1953 23.39 51°35′ 157°20′
8 Келля 940 2.61 51°39′ 157°21′
9 Ксудач 1079 3.94 51°49′ 157°32′
10 Ходутка 2090 28.67 52°04′ 157°42′
11 Приемыш 1202 5.45 52°04′ 157°42′
12 Пиратковский 1322 7.25 52°07′ 157°51′
13 Желтый 885 2.18 52°20′ 157°55′
14 Асача 1909 21.85 52°21′ 157°50′
15 Мутновский 2323 39.36 52°27′ 158°12′
Итого     134.75    
16 Горелый 1829 19.21 52°33′ 158°02′
17 Жировской 1125 4.47 52°37′ 158°15′
18 Вилючинский 2173 32.22 52°42′ 158°17′
19 Козельский 2189 32.94 53°14′ 158°53′
20 Авача 2751 65.37 53°15′ 158°51′
21 Корякский 3456 129.6 53°17′ 158°34′
22 Арик 2156 31.47 53°22′ 158°40′
23 Ааг 2310 38.7 53°24′ 158°38′
Итого     237.04    
24 Жупановский 2958 81.27 53°35′ 159°08′
25 Дзендзур 2159 31.6 53°38′ 159°05′
26 Жупановские востряки 1707 15.62 53°47′ 159°18′
27 Дитмара 1301 6.91 53°52′ 159°33′
28 Бакенинг 2278 37.12 53°55′ 158°05′
29 Белянкина 1144 4.7 53°56′ 159°25′
30 Крайний 1198 5.4 53°57′ 159°20′
31 Академии наук 1100 4.18 53°59′ 159°28′
32 Карымский 1486 10.3 54°03′ 159°27′
33 Двор 1489 10.37 54°05′ 159°27′
34 Малый Семячик 1560 11.92 54°08′ 159°40′
35 Соболиный 1131 4.54 54°09′ 159°27′
36 Кругленький 1122 4.43 54°16′ 159°52′
37 Центральный Семячик 1294 6.8 54°17′ 159°56′
38 Большой Семячик 1739 16.51 54°19′ 160°01′
39 Бурлящий 1164 4.95 54°20′ 159°58′
40 Восточный Бараний 1425 9.09 54°20′ 159°53′
41 Кихпиныч 1552 11.74 54°29′ 160°14′
42 Узон 1591 12.65 54°30′ 159°55′
Итого     289.31    
43 Тауншиц 2353 40.9 54°32′ 159°48′
44 Крашенинникова 1856 20.08 54°35′ 160°16′
45 Унана 2192 33.07 54°39′ 159°45′
46 Кроноцкий 3528 137.88 54°45′ 160°30′
47 Шмидта 2038 26.58 54°55′ 160°37′
48 Гамчен 2576 53.67 54°58′ 160°42′
49 Высокий 2153 31.34 55°04′ 160°46′
50 Комарова 2070 27.85 55°04′ 160°00′
51 Конради 1892 21.27 55°06′ 160°34′
52 Приходченко 1138 4.63 55°08′ 160°44′
53 Сокол 1654 14.21 55°10′ 160°33′
54 Кизимен 2485 48.18 55°12′ 160°19′
55 Иульт 1856 20.07 55°14′ 160°36′
56 Тумрок 2103 29.2 55°23′ 160°53′
Итого     508.93    
57 Малая Удина 1945 23.1 55°45′ 160°37′
58 Плоский Толбачик 3085 92.19 55°49′ 160°25′
59 Горный Зуб 2242 35.39 55°51′ 160°42′
60 Овальная Зимина 3081 91.83 55°52′ 160°37′
61 Острая Зимина 2744 64.88 55°52′ 160°37′
62 Большая Удина 2923 78.42 55°56′ 160°45′
63 Острый Толбачик 3682 156.74 55°57′ 160°24′
64 Безымянный 2882 75.16 55°58′ 160°36′
65 Камень 4575 300.68 56°01′ 160°45′
66 Ключевской 4750 336.52 56°03′ 160°39′
67 Дальняя Плоская 3943 192.49 56°04′ 160°29′
68 Ближняя Плоская 4057 209.67 56°07′ 160°30′
69 Заречный 754 1.35 56°23′ 160°34′
70 Харчинский 1400 8.62 56°26′ 160°34′
71 Шивелуч 3283 111.1 56°39′ 161°21′
Итого     1708.14    

Удельная продуктивность вулканов вычислялась для участков зоны субдукции, равной одному градусу широты. На рис. 3 представлена гистограмма распределения удельной продуктивности для вулканов Восточного вулканического пояса Камчатки на широтах от 51° до 56°.

Рис. 3.

Зависимость удельной продуктивности вулканов Восточного вулканического пояса от широты.

Очевидно, что существует явно выраженное уменьшение продуктивности вулканов Восточного вулканического пояса с севера на юг, т.е. по мере удаления от окончания субдукционной плиты. Это уменьшение, скорее всего, связано с уменьшением проникновения магматических расплавов вдоль субдукционной плиты от астеносферного потока в зоне стыка Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг. Распространение потока вдоль зоны субдукции может быть связано с преимущественной диффузией в разогретой среде, которая образована из-за присутствия расплавов и флюидов, поднимающихся с верхней границы субдукционной плиты. Можно отметить, что продуктивность вулканов южнее широты в 52° не уменьшается. Расстояние до этой широты от северного окончания литосферной плиты составляет около 500 км. Следовательно, за время открытия окна в зоне стыка Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг (около 2 млн лет [3]) магматические расплавы распространились на 500 км. Средняя скорость диффузии теплового потока составляет 25 см в год. Уменьшение продуктивности вулканов Восточного вулканического пояса с севера на юг происходит по экспоненте. Так как теплопроводность твердой среды зависит от температуры среды и уменьшается при уменьшении температуры по экспоненциальному закону, то величина тепловой энергии уменьшается по экспоненте по мере проникновения теплового потока в твердую среду. При таком механизме распространения теплового потока объемы образованных расплавов будут уменьшатся по экспоненте по направлению распространения теплового потока.

Выявленные особенности системы питания вулканов Восточного вулканического пояса могут дать объяснение различного состава изверженных пород для северной и южной части зоны субдукции на Камчатке. Состав изверженных пород с севера на юг в Восточном вулканическом поясе изменяется от преобладания основного состава к преобладанию кислого состава, что может быть связано с частичным плавлением вещества коры [9].

Список литературы

  1. Gorbatov A., Kostoglodov V., Suarez G., Gordeev E. Seismicity and Structure of the Kamchatka Subduction Zone // J. Geoph. Res. 1997. V. 102. № B8. P. 17883–17898.

  2. Peyton V., Levin V., Park J., Brandon M.T., Lees J., Gordeev E., Ozerov A. Mantle Flow at a Slab Edge: Seismic Anisotropy in the Kamchatka Region // Geophys. Res. Lett. 2001. 28. P. 379–382.

  3. Levin V., Shapiro N., Park J., Ritzwoller M. Seismic Evidence for Catastrophic Slab Loss beneath Kamchatka // Nature. 2002. V. 418. P. 763–767.

  4. Park J., Levin V., Brandon M., Lees J., Peyton V., Gordeev E., Ozerov A. A Dangling Slab, Amplified Arc Volcanism, Mantle Flow and Seismic Anisotropy in the Kamchatka Plate Corner / AGU Monograph: Plate Boundary Zones, Geodynamics Series. 2002. V. 30. P. 295–324.

  5. Gorbatov A., Fukao Y., Widiyantoro S., Gordeev E. Seismic Evidence for a Mantle Plume Oceanwards of the Kamchatka-Aleutian Trench Junction // Geoph. J. Int. 2001. V. 146. P. 282–289.

  6. Levin V., Shapiro N., Park J., Ritzwoller M. Slab Portal beneath the Western Aleutians // Geology. 2005. V. 33. № 4. P. 253–256, https://doi.org/10.1130/G20863.1

  7. Koulakov I., Shapiro N., Sens-Shoenefelder C., Luehr B.G., Gordeev E.I., Jakovlev A.V., Abkadyrov I., Chebrov D.V., Droznina S.Ya., Senyukov S., Novgorodova A., Stupina T. Mantle and Crustal Sources of Magmatic Activity of Klyuchevskoy and Surrounding Volcanoes in Kamchatka Inferred from Earthquake Tomography // J. Geophys. Res. 2020. ….

  8. Гордеев Е.И., Кулаков И.Ю., Шапиро Н.М. Система магматического питания Ключевской группы вулканов (Камчатка) // ДАН. Науки о Земле (в печати).

  9. Действующие вулканы Камчатки. Т. 1, Т. 2, М.: Наука. 1991.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Доклады Российской академии наук. Науки о Земле

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал