7 kwietnia, 2017
Pod oceanem masywne płyty tektoniczne zbiegają się i ścierają ze sobą, co napędza jedną pod drugą. Ta potężna kolizja, zwana subdukcją, jest odpowiedzialna za tworzenie łuków wulkanicznych, które są domem dla niektórych z najbardziej dramatycznych wydarzeń geologicznych na Ziemi, takich jak wybuchowe erupcje wulkaniczne i mega trzęsienia ziemi.
Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Science Advances zmienia nasze rozumienie tego, jak powstają lawy łuku wulkanicznego i może mieć wpływ na badanie trzęsień ziemi i ryzyka erupcji wulkanicznej.
Badacze kierowani przez Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) odkryli nieznany wcześniej proces polegający na topieniu intensywnie wymieszanych skał metamorficznych, znanych jako skały melanżowe, które powstają w wyniku wysokich naprężeń podczas subdukcji na granicy płyta-mantyl.
Do tej pory długo uważano, że tworzenie się lawy rozpoczyna się od połączenia płynów z subdukowanej płyty tektonicznej lub płyty i stopionych osadów, które następnie przesączają się do płaszcza. W płaszczu dochodziło do mieszania się płynów, co powodowało dalsze topnienie, a w końcu erupcję na powierzchni.
„Nasze badania wyraźnie pokazują, że dominujący model topienia się płynów i osadów nie może być poprawny” – mówi Sune Nielsen, geolog z WHOI i główny autor pracy. „Jest to istotne, ponieważ prawie wszystkie interpretacje danych geochemicznych i geofizycznych dotyczących stref subdukcji w ciągu ostatnich dwóch dekad opierają się na tym modelu.”
Nielsen i jego współpracownicy odkryli natomiast, że melanż jest w rzeczywistości obecny na szczycie płyty, zanim nastąpi wymieszanie z płaszczem.
„To badanie pokazuje po raz pierwszy, że topnienie melanżu jest głównym czynnikiem wpływającym na to, jak płyta i płaszcz oddziałują na siebie”, mówi Nielsen.
Jest to ważne rozróżnienie, ponieważ naukowcy używają pomiarów izotopów i pierwiastków śladowych do określenia składu law łukowych i lepszego zrozumienia tego krytycznego regionu stref subdukcji. Kiedy i gdzie zachodzi mieszanie, topnienie i redystrybucja pierwiastków śladowych generuje bardzo różne stosunki sygnatur izotopowych.
Badanie opiera się na wcześniejszej pracy kolegi Nielsena i współautora Horsta Marschalla z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie, Niemcy. Opierając się na obserwacjach terenowych odkrywek melanżu, Marschall zauważył, że plamy materiału melanżowego o niskiej gęstości, zwane diapirami, mogą powoli wznosić się z powierzchni płyty subdukcyjnej i przenosić dobrze wymieszane materiały do płaszcza pod wulkanami łukowymi.
„Model melanżu-diapiru został zainspirowany modelami komputerowymi oraz szczegółowymi pracami terenowymi w różnych częściach świata, gdzie skały pochodzące z głębokiego interfejsu płyta-mantyl zostały wyniesione na powierzchnię przez siły tektoniczne” – mówi Marschall. „Omawiamy ten model od co najmniej pięciu lat, ale wielu naukowców uważało, że skały melanżowe nie odgrywają żadnej roli w generowaniu magmy. Odrzucili ten model jako 'geo-fantazję'.”
W swojej nowej pracy, Nielsen i Marschall porównali proporcje mieszania z obu modeli z danymi chemicznymi i izotopowymi z opublikowanych badań ośmiu globalnie reprezentatywnych łuków wulkanicznych: Marianów, Tonga, Małych Antyli, Aleutów, Ryukyu, Szkocji, Kuryli i Sunda.
„Nasza analiza na szeroką skalę pokazuje, że model mieszania melanżu pasuje do danych literaturowych niemal idealnie w każdym łuku na świecie, podczas gdy dominujące linie mieszania osadów z topnikiem/płynem wykreślają daleko od rzeczywistych danych” – mówi Nielsen.
Zrozumienie procesów zachodzących w strefach subdukcji jest ważne z wielu powodów. Często określane jako silnik planety, strefy subdukcji są głównymi obszarami, gdzie woda i dwutlenek węgla zawarte w starym dnie morskim są ponownie wprowadzane do głębokiej Ziemi, odgrywając krytyczną rolę w kontroli długoterminowego klimatu i ewolucji budżetu cieplnego planety.
Te złożone procesy zachodzą w skalach od dziesiątek do tysięcy kilometrów w ciągu miesięcy do setek milionów lat, ale mogą generować katastrofalne trzęsienia ziemi i śmiertelne tsunami, które mogą pojawić się w ciągu sekund.
„Duża część zagrożeń wulkanicznych i trzęsień ziemi na Ziemi jest związana ze strefami subdukcji, a niektóre z tych stref znajdują się w pobliżu miejsc, gdzie żyją setki milionów ludzi, takich jak Indonezja” – mówi Nielsen. „Zrozumienie przyczyn, dlaczego i gdzie występują trzęsienia ziemi, zależy od poznania lub zrozumienia, jaki rodzaj materiału jest rzeczywiście obecny na dole i jakie procesy tam zachodzą.”
Zespół badawczy twierdzi, że wyniki badania wymagają ponownej oceny wcześniej opublikowanych danych i rewizji koncepcji dotyczących procesów zachodzących w strefie subdukcji. Ponieważ skały melanżowe były w dużej mierze ignorowane, nie wiadomo prawie nic o ich właściwościach fizycznych ani o zakresie temperatur i ciśnień, w jakich się topią. Przyszłe badania mające na celu ilościowe określenie tych parametrów mogą przynieść jeszcze lepszy wgląd w rolę melanżu w strefach subdukcji oraz kontrolę, jaką wywiera on na generowanie trzęsień ziemi i wulkanizm w strefach subdukcji.
Praca ta została sfinansowana z grantu National Science Foundation Division of Earth Sciences.
The Woods Hole Oceanographic Institution jest prywatną organizacją non-profit na Cape Cod, Mass. zajmującą się badaniami morskimi, inżynierią i szkolnictwem wyższym. Założona w 1930 roku na podstawie rekomendacji Narodowej Akademii Nauk, jej główną misją jest zrozumienie oceanu i jego interakcji z Ziemią jako całością, oraz przekazanie podstawowego zrozumienia roli oceanu w zmieniającym się globalnym środowisku. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź stronę www.whoi.edu.