Вулканическая дуга (также известная как магматическая дуга [1] : 6.2 ) представляет собой пояс вулканов , образованный над погружающейся океанической тектонической плитой , [2] с поясом, расположенным в форме дуги, как видно сверху. Вулканические дуги обычно параллельны океаническому желобу , при этом дуга расположена дальше от погружающейся плиты, чем желоб. Океаническая плита насыщена водой, в основном в форме водных минералов, таких как слюды , амфиболы и серпентины . По мере погружения океанической плиты она подвергается растущему давлению и температуре 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 вышележащей плитой. Магма поднимается, образуя дугу вулканов параллельно зоне субдукции.
Вулканические дуги отличаются от вулканических цепей, образованных над горячими точками в середине тектонической плиты. Вулканы часто формируются один за другим, когда плита движется над горячей точкой, и поэтому вулканы прогрессируют в возрасте от одного конца цепи к другому. Гавайские острова образуют типичную цепь горячих точек, с более старыми островами на северо-западе и самим островом Гавайи, которому всего 400 000 лет, на юго-восточном конце цепи над горячей точкой. Вулканические дуги обычно не демонстрируют такой простой возрастной шаблон.
Существует два типа вулканических дуг:
В некоторых ситуациях одна зона субдукции может показывать оба аспекта по всей своей длине, когда часть плиты погружается под континент, а часть — под прилегающую океаническую кору. Алеутские острова и прилегающий полуостров Аляска являются примером такой зоны субдукции.
Активный фронт вулканической дуги — это пояс, где в данный момент времени развивается вулканизм . Активные фронты могут перемещаться с течением времени (миллионы лет), изменяя свое расстояние от океанического желоба , а также свою ширину.
Вулканическая дуга является частью комплекса дуга-желоб , который является частью зоны субдукции , которая видна на поверхности Земли. Зона субдукции находится там, где тектоническая плита, состоящая из относительно тонкой, плотной океанической литосферы, погружается в мантию Земли под менее плотной вышележащей плитой. Вышестоящая плита может быть либо другой океанической плитой, либо континентальной плитой. Подводящая плита, или плита , погружается в мантию под углом, так что между плитой и вышестоящей плитой находится клин мантии . [1] : 5
Граница между погружающейся плитой и нависающей плитой совпадает с глубоким и узким океаническим желобом . Этот желоб создается гравитационным притяжением относительно плотной погружающейся плиты, тянущим передний край плиты вниз. [3] : 44–45 Внутри погружающейся плиты происходят множественные землетрясения с сейсмическими гипоцентрами, расположенными на увеличивающейся глубине под островной дугой: эти землетрясения определяют зоны Вадати-Бениоффа . [3] : 33 Вулканическая дуга формируется на погружающейся плите над точкой, где погружающаяся плита достигает глубины примерно 120 километров (75 миль) [4] и представляет собой зону вулканической активности шириной от 50 до 200 километров (от 31 до 124 миль). [5]
Форма вулканической дуги обычно выпуклая в сторону погружающейся плиты. Это следствие сферической геометрии Земли. Погружающая плита ведет себя как гибкая тонкая сферическая оболочка, и такая оболочка может быть согнута вниз под углом θ, без разрывов или складок, только по окружности, радиус которой равен θ/2. Это означает, что дуги, где погружающаяся плита опускается под более пологим углом, будут более сильно изогнуты. Выдающиеся дуги, плиты которых погружаются примерно под 45 градусов, такие как Курильские острова , Алеутские острова и Зондская дуга , имеют радиус около 20-22 градусов. [6]
Вулканические дуги делятся на те, в которых перекрывающая плита является континентальной (дуги андийского типа), и те, в которых перекрывающая плита является океанической (внутриокеанические или примитивные дуги). Кора под дугой до двух раз толще средней континентальной или океанической коры: кора под дугами андийского типа имеет толщину до 80 километров (50 миль), в то время как кора под внутриокеаническими дугами имеет толщину от 20 до 35 километров (от 12 до 22 миль). Как сокращение коры , так и магматическое подстилание способствуют утолщению коры. [1] : 6
Вулканические дуги характеризуются взрывным извержением известково-щелочной магмы, хотя молодые дуги иногда извергают толеитовую магму [7], а несколько дуг извергают щелочную магму. [8] Известково-щелочную магму можно отличить от толеитовой магмы, типичной для срединно-океанических хребтов , по более высокому содержанию алюминия и более низкому 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 областях растяжения земной коры. [11]
В летописи горных пород вулканические дуги можно распознать по их толстым последовательностям вулканокластических пород (образованных эксплозивным вулканизмом), перемежающихся с граувакками и аргиллитами , а также по их известково-щелочному составу. В более древних породах, которые испытали метаморфизм и изменение своего состава ( метасоматоз ), известково-щелочные породы можно отличить по содержанию в них микроэлементов, которые мало затронуты изменением, таких как хром или титан , содержание которых в породах вулканических дуг низкое. [7] Поскольку вулканические породы легко выветриваются и подвергаются эрозии , более старые вулканические дуги рассматриваются как плутонические породы , породы, которые образовались под дугой (например, батолит Сьерра-Невада ), [12] или в осадочной летописи как литовые песчаники . [13] Парные метаморфические пояса , в которых пояс метаморфизма высокой температуры и низкого давления расположен параллельно поясу метаморфизма низкой температуры и высокого давления, сохраняют древний дуго-желобный комплекс, в котором пояс высокой температуры и низкого давления соответствует вулканической дуге. [7]
В зоне субдукции потеря воды из субдуцированной плиты вызывает частичное плавление вышележащей мантии и генерирует низкоплотную, известково-щелочную магму, которая плавуче поднимается, чтобы внедриться и вытесниться через литосферу вышележащей плиты. Большая часть воды, переносимой вниз плитой, содержится в водных (водоносных) минералах, таких как слюда , амфибол или серпентинитовые минералы. Вода теряется из субдуцированной 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 мантийной породы до точки, где генерируется магма. [1] : 5.3
Хотя существует широкое согласие относительно общего механизма, продолжаются исследования по объяснению сфокусированного вулканизма вдоль узкой дуги на некотором расстоянии от желоба. [1] : 4.2 [14] Расстояние от желоба 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 распада обильного водного минерала. Это создаст восходящую «водную завесу», которая объясняет сфокусированный вулканизм вдоль вулканической дуги. Однако некоторые модели предполагают, что вода непрерывно высвобождается из плиты с небольших глубин до 70–300 километров (43–186 миль), и большая часть воды, высвобождаемой на небольших глубинах, вызывает серпентинизацию вышележащего мантийного клина. [1] : 4.2.42 Согласно одной модели, только около 18–37 процентов содержания воды высвобождается на достаточной глубине для образования дугового магматизма. Вулканическая дуга тогда интерпретируется как глубина, на которой степень плавления становится достаточно большой, чтобы позволить магме отделиться от исходной породы. [5]
Теперь известно, что субдуцирующая плита может располагаться где угодно от 60 до 173 километров (от 37 до 107 миль) под вулканической дугой, а не на одной характерной глубине около 120 километров (75 миль), что требует более сложных моделей дугового магматизма. Например, вода, высвобождаемая из плиты на умеренных глубинах, может реагировать с амфиболовыми минералами в нижней части мантийного клина, образуя богатый водой хлорит . Эта богатая хлоритом мантийная порода затем увлекается вниз субдуцирующей плитой и в конечном итоге разрушается, становясь источником дугового магматизма. [4] Местоположение дуги зависит от угла и скорости субдукции, которые определяют, где разрушаются водные минералы и где высвобождаемая вода понижает температуру плавления вышележащего мантийного клина достаточно для плавления. [15]
Местоположение вулканической дуги может быть определено наличием холодного неглубокого угла на кончике мантийного клина, где мантийная порода охлаждается как вышележащей 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 опускается из-под холодного неглубокого угла, позволяя магме генерироваться и подниматься через более теплую, менее жесткую мантийную породу. [14]
Магма может генерироваться на широкой территории, но фокусироваться в узкую вулканическую дугу барьером проницаемости у основания перекрывающей плиты. Численное моделирование предполагает, что кристаллизация поднимающейся магмы создает этот барьер, заставляя оставшуюся магму собираться в узкой полосе на вершине барьера. Эта узкая полоса соответствует вышележащей вулканической дуге. [16]
Два классических примера океанических островных дуг — 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 западного края Южной Америки являются примерами континентальных вулканических дуг. Лучшие примеры вулканических дуг с обоими наборами характеристик находятся в северной части Тихого океана, при этом Алеутская дуга состоит из Алеутских островов и их продолжения Алеутского хребта на полуострове Аляска , а Курило-Камчатская дуга включает Курильские острова и южную часть полуострова Камчатка .