Вулканическая дуга (также известная как магматическая дуга [1] : 6.2 ) представляет собой пояс вулканов , образовавшийся над погружающейся океанической тектонической плитой [2] с поясом, расположенным в форме дуги, если смотреть сверху. Вулканические дуги обычно параллельны океаническому желобу , причем дуга расположена дальше от погружающейся плиты, чем желоб. Океаническая плита насыщена водой, преимущественно в виде водных минералов — слюд , амфиболов , серпентинов . По мере того как океаническая плита погружается, она подвергается возрастанию давления и температуры с увеличением глубины. Тепло и давление разрушают водные минералы в плите, высвобождая воду в вышележащую мантию. Летучие вещества, такие как вода, резко понижают температуру плавления мантии , заставляя часть мантии плавиться и образовывать магму на глубине под доминирующей плитой. Магма поднимается, образуя дугу вулканов, параллельную зоне субдукции.
Вулканические дуги отличаются от вулканических цепей, образовавшихся над горячими точками в середине тектонической плиты. Вулканы часто образуются один за другим по мере движения плиты над горячей точкой, и поэтому вулканы прогрессируют в возрасте от одного конца цепи к другому. Гавайские острова образуют типичную цепочку горячих точек: более старые острова находятся на северо-западе, а сам остров Гавайи, которому всего 400 000 лет, находится на юго-восточном конце цепи над горячей точкой. Вулканические дуги обычно не имеют такой простой возрастной структуры.
Существует два типа вулканических дуг:
В некоторых ситуациях одна зона субдукции может иметь оба аспекта по своей длине: часть плиты погружается под континент, а часть - под прилегающую океаническую кору. Примером такой зоны субдукции являются Алеутские острова и прилегающий к ним полуостров Аляска .
Активный фронт вулканической дуги — пояс, где в данный момент времени развивается вулканизм . Активные фронты могут перемещаться с течением времени (миллионы лет), меняя как расстояние от океанического желоба , так и ширину.
Вулканическая дуга является частью дугово-траншейного комплекса , который представляет собой часть зоны субдукции , видимой на поверхности Земли. Зона субдукции — это место, где тектоническая плита , состоящая из относительно тонкой и плотной океанической литосферы , погружается в мантию Земли под менее плотную перекрывающую плиту. Основная плита может быть либо другой океанической плитой, либо континентальной плитой. Погружающаяся плита, или плита , погружается в мантию под углом, так что между плитой и перекрывающей плитой образуется клин мантии . [1] : 5
Граница между погружающейся плитой и надвигающейся плитой совпадает с глубоким и узким океаническим желобом . Эта траншея создается гравитационным притяжением относительно плотной погружающейся плиты, тянущей передний край плиты вниз. [3] : 44–45 Множественные землетрясения происходят внутри погружающейся плиты с сейсмическими гипоцентрами , расположенными на увеличивающейся глубине под островной дугой: эти землетрясения определяют зоны Вадати-Беньоффа . [3] : 33 Вулканическая дуга образуется на перекрывающей плите над точкой, где погружающаяся плита достигает глубины примерно 120 километров (75 миль) [4] и представляет собой зону вулканической активности между 50 и 200 километрами (31 и 124 миль) в ширину. [5]
Форма вулканической дуги обычно выпуклая в сторону погружающейся плиты. Это следствие сферической геометрии Земли. Погружающаяся пластина ведет себя как гибкая тонкая сферическая оболочка, и такую оболочку можно согнуть вниз на угол θ, не разрывая и не сморщивая, только по окружности, радиус которой равен θ/2. Это означает, что дуги, где погружающаяся плита опускается под меньшим углом, будут более сильно изогнуты. Выдающиеся дуги, плиты которых погружаются под углом около 45 градусов, такие как Курильские острова , Алеутские острова и Зондская дуга , имеют радиус от 20 до 22 градусов. [6]
Вулканические дуги подразделяются на те, у которых перекрывающая плита континентальная (дуги Андского типа), и те, у которых перекрывающая плита океаническая (внутриокеанические или примитивные дуги). Кора под дугой в два раза толще средней континентальной или океанической коры: толщина коры под дугами Андского типа составляет до 80 километров (50 миль), тогда как кора под внутриокеаническими дугами составляет от 20 до 35 километров (от 12 до 50 миль). 22 мили) толщиной. Утолщению коры способствуют как укорочение коры , так и магматическое андерплитирование . [1] : 6
Вулканические дуги характеризуются эксплозивными извержениями известково-щелочной магмы, хотя молодые дуги иногда извергают толеитовую магму [7] , а некоторые дуги извергают щелочную магму. [8] Известково-щелочную магму можно отличить от толеитовой магмы, типичной для срединно-океанических хребтов , по более высокому содержанию алюминия и меньшему содержанию железа [9] : 143–146 , а также по высокому содержанию крупноионных литофильных элементов, таких как калий , рубидий , цезий , стронций или барий по сравнению с элементами с высокой напряженностью поля, такими как цирконий , ниобий , гафний , редкоземельные элементы (РЗЭ), торий , уран или тантал . [10] Андезит особенно характерен для вулканических дуг, хотя иногда он также встречается в регионах растяжения земной коры. [11]
В летописи горных пород вулканические дуги можно распознать по мощным толщам вулканокластических пород (образованных в результате эксплозивного вулканизма) с прослоями граувакков и аргиллитов , а также по их известково-щелочному составу. В более древних породах, испытавших метаморфизм и изменение своего состава ( метасоматоз ), известково-щелочные породы можно отличить по содержанию мало подверженных изменениям микроэлементов, таких как хром или титан , содержание которых в вулканических дугах низкое. горные породы. [7] Поскольку вулканические породы легко подвергаются выветриванию и эрозии , более старые вулканические дуги рассматриваются как плутонические породы , породы, которые образовались под дугой (например, батолит Сьерра-Невада ), [12] или в осадочной летописи как каменные песчаники . [13] Парные метаморфические пояса , в которых пояс высокотемпературного, низкого давления метаморфизма расположен параллельно поясу низкотемпературного, высокого давления метаморфизма, сохраняют древний дугово-траншейный комплекс, в котором высокотемпературный, пояс низкого давления соответствует вулканической дуге. [7]
В зоне субдукции потеря воды из субдуцированной плиты вызывает частичное плавление перекрывающей мантии и генерирует известково-щелочную магму низкой плотности, которая плавучесть поднимается, чтобы внедриться и вытесниться через литосферу перекрывающей плиты. Большая часть воды, переносимой плитой вниз, содержится в водных (водоносных) минералах, таких как слюда , амфибол или серпентинит . Вода теряется из погружаемой плиты, когда температура и давление становятся достаточными для разрушения этих минералов и высвобождения содержащейся в них воды. Вода поднимается в клин мантии, покрывающий плиту, и понижает температуру плавления мантийных пород до точки, при которой образуется магма. [1] : 5,3
Хотя существует широкое согласие относительно общего механизма, продолжаются исследования по объяснению фокусированного вулканизма вдоль узкой дуги на некотором расстоянии от траншеи. [1] : 4,2 [14] Расстояние от траншеи до вулканической дуги больше для плит, погружающихся под меньшим углом, и это говорит о том, что генерация магмы происходит, когда плита достигает критической глубины для разрушения обильного водного минерала. . Это создаст восходящую «водную завесу», которая отвечает за сосредоточенный вулканизм вдоль вулканической дуги. Однако некоторые модели предполагают, что вода непрерывно высвобождается из плиты с небольших глубин до 70–300 километров (от 43 до 186 миль), и большая часть воды, высвобождаемой на небольших глубинах, вызывает серпентинизацию вышележащего мантийного клина. [1] : 4.2.42 Согласно одной модели, только от 18 до 37 процентов содержащейся воды высвобождается на глубине, достаточной для возникновения дугового магматизма. Вулканическая дуга тогда интерпретируется как глубина, на которой степень плавления становится достаточно высокой, чтобы позволить магме отделиться от исходной породы. [5]
Теперь известно, что погружающаяся плита может располагаться на глубине от 60 до 173 километров (от 37 до 107 миль) ниже вулканической дуги, а не на единой характерной глубине около 120 километров (75 миль), что требует более сложных моделей дуги. магматизм. Например, вода, выброшенная из плиты на умеренных глубинах, могла вступить в реакцию с амфиболовыми минералами в нижней части мантийного клина с образованием богатого водой хлорита . Эта богатая хлоритом мантийная порода затем утягивается вниз погружающейся плитой и в конечном итоге разрушается, становясь источником дугового магматизма. [4] Расположение дуги зависит от угла и скорости субдукции, которые определяют, где разрушаются водные минералы и где высвобождающаяся вода снижает температуру плавления вышележащего мантийного клина настолько, что она плавится. [15]
Местоположение вулканической дуги можно определить по наличию прохладного пологого угла на вершине мантийного клина, где мантийная порода охлаждается как перекрывающей плитой, так и плитой. Холодный неглубокий угол не только подавляет плавление, но и его высокая жесткость препятствует подъему любой образующейся магмы. Дуговой вулканизм происходит там, где плита спускается из-под прохладного неглубокого угла, позволяя магме генерироваться и подниматься через более теплые и менее жесткие мантийные породы. [14]
Магма может генерироваться на обширной территории, но фокусируется в узкой вулканической дуге из-за барьера проницаемости у основания перекрывающей плиты. Численное моделирование показывает, что кристаллизация поднимающейся магмы создает этот барьер, в результате чего оставшаяся магма скапливается в узкую полосу на вершине барьера. Эта узкая полоса соответствует вышележащей вулканической дуге. [16]
Двумя классическими примерами океанических островных дуг являются Марианские острова в западной части Тихого океана и Малые Антильские острова в западной части Атлантического океана. Каскадная вулканическая дуга на западе Северной Америки и Анды вдоль западной окраины Южной Америки являются примерами континентальных вулканических дуг. Лучшие примеры вулканических дуг с обоими наборами характеристик находятся в северной части Тихого океана: Алеутская дуга состоит из Алеутских островов и их продолжения Алеутского хребта на полуострове Аляска , а Курило-Камчатская дуга включает Курильские острова и южную Камчатку. Полуостров .