Как возникают землетрясения в зоне субдукции?

Зоны субдукции являются источником одних из самых мощных землетрясений в мире. Возникающие при этом тектонические напряжения поистине феноменальны и порождают самые разнообразные сейсмические механизмы как вблизи поверхности, так и на большой глубине.

Землетрясения происходят практически везде на планете, но достаточно взглянуть на карту глобальной сейсмичности (см. нашу карту ниже), чтобы понять, что самые мощные землетрясения происходят в зонах субдукции.

Зоны субдукции — это конвергентные границы плит, где одна океаническая плита опускается под другую (континентальную или океаническую). Этот крупномасштабный механизм порождает большое количество землетрясений, часто очень сильных. Эпицентры располагаются в широком диапазоне глубин — от нескольких километров под поверхностью до 600 км для самых глубоких.

Эти сейсмические события связаны в основном с интенсивным трением между двумя плитами, а также с внутренней деформацией погружающейся и надвигающейся плит. Таким образом, можно выделить межплитную и внутриплитную сейсмичность. Механизмы, лежащие в их основе, различны.

Межплитная сейсмичность

Океаническая плита, опускающаяся под надвигающуюся плиту, не является гладкой. Она имеет рельеф, который может быть значительным, в частности, с наличием вулканических гор. Когда эти рельефы достигают зоны контакта между двумя плитами, они могут вызвать блокировку. Вместо того чтобы скользить друг по другу, две плиты оказываются запертыми. Но процесс субдукции не прекращается.

Движение субдуцирующей плиты начинает сжимающе деформировать надвигающуюся плиту: край надвигающейся плиты толкается в том же направлении, что и субдуцирующая океаническая плита, пока деформация не достигнет критической точки.

В этот момент происходит внезапное разъединение двух плит, океаническая плита проскальзывает, а перекрывающая плита восстанавливает равновесие, подобно отпущенной пружине. Этот механизм, как правило, ответственен за самые мощные землетрясения. Внезапное смещение массы земной коры может также привести к возникновению волны цунами.

Помимо этих крупных событий, трение на границе раздела двух плит приводит к множеству мелких землетрясений. Это сдвиговый механизм.

Внутриплитная сейсмичность

Однако не только надвигающаяся плита подвергается интенсивной деформации в процессе субдукции. Многочисленные землетрясения, эпицентры которых находятся в пределах океанической плиты, свидетельствуют о том, что она также испытывает многочисленные внутренние напряжения.

Таким образом, землетрясения наблюдаются выше по течению от субдукционной впадины. Это экстенсивные механизмы. Погружение под надвигающуюся плиту приводит к выпучиванию или изгибу океанической коры в зоне переднего желоба, что приводит к разрывам верхней поверхности океанической плиты.

Этот экстенсивный механизм наблюдается и за впадиной, в центральной части погружающейся плиты. Эти разрывы связаны с опусканием плиты и ее расширением под действием собственного веса.

В верхней же части погружающейся плиты наблюдаются механизмы компрессионных разрывов. Они связаны с деформацией верхней части плиты в результате трения.

Зона Вадати-Бениофа

Вся эта сейсмичность, возникающая на глубине от 50 до 200 км, имеет вид одного или двух параллельных выравниваний сейсмических очагов. Такая конфигурация известна как зона Вадати-Бениофа. Распределение сейсмичности дает сейсмологам представление о геометрии погружающейся плиты и, в частности, об угле субдукции.

Глубинные землетрясения

Если происхождение землетрясений, затрагивающих верхнюю часть зон субдукции, уже достаточно хорошо изучено, то для землетрясений, происходящих на больших глубинах, особенно тех, очаги которых расположены за пределами 500 км, это не так.

Эти глубинные землетрясения имеют компрессионный механизм. Это наблюдение было интерпретировано как эффект сопротивления нижней мантии, которая тормозит погружающуюся плиту. На самом деле нижняя мантия (граница которой с верхней мантией проходит на глубине около 670 км) обладает более высокой вязкостью. Долгое время считалось, что погружающаяся плита не может выйти за этот 670-километровый предел, однако новые данные по скорости распространения волн показывают, что океанические плиты действительно могут продолжать погружаться в нижнюю мантию. Тогда условия давления и температуры будут настолько велики, что уже не позволят генерировать землетрясения. Однако ученые считают, что погружающаяся пластина затем подвергается асейсмической пластической деформации.

Некоторые исследования также позволяют предположить, что землетрясения, наблюдаемые непосредственно над границей верхней мантии и нижней мантии, имеют не "тектоническое" происхождение, а связаны с минералогическими перестройками. Многие минералы становятся неустойчивыми на этих глубинах, что приводит к фазовым изменениям (например, переход шпинели в перовскит).