Конвергентные границы плит: типы, структура и геологические процессы

Процессы, обусловленные сближением литосферных плит, включают структурные, магматические, метаморфические и осадочные изменения, совокупно именуемые процессами конвергентных границ. Эти динамичные зоны подразделяются на зоны субдукции и коллизионные зоны. Зоны субдукции классифицируются далее: при конвергенции океан-океан одна океаническая плита погружается под другую (пример — Марианские острова), а при конвергенции океан-континент океаническая плита субдуцирует под континентальную (например, Анды). Южное побережье Аляски представляет собой переходную зону от континентальной окраины к океанической вдоль Алеутской островной дуги.

Конвергентные дуги обладают чётко выраженными геоморфологическими зонами. Активная вулканическая дуга формирует топографическое поднятие, в то время как задуговая область простирается от дуги в сторону от желоба. Преддуговой прогиб — это равнинное понижение, заполненное осадками и часто наложенное на аккреционную призму или офиолитовый комплекс. Сама аккреционная призма сложена интенсивно деформированными породами, сскребаемыми с погружающейся плиты. Глубоководный желоб маркирует поверхностную границу между плитами.

Физико-географические и геологические характеристики дуг: (а) тихоокеанского типа; (б) андского типа.

Дно желоба имеет треугольный профиль и сложено турбидитными отложениями типа граувакк-сланец, снесёнными с конвергентного орогена. Эти осадки могут транспортироваться вдоль оси желоба на тысячи километров. Быстро накапливающиеся глубоководные турбидиты известны как флиш. Также характерны олистостромы — хаотичные подводно-оползневые отложения. В аккреционную призму могут включаться пелагические отложения субдуцирующей плиты: красная глина, кремнистый и известковый ил.

Турбидиты ложа желоба вовлекаются в аккреционный клин посредством складчатости и надвигообразования. Этот процесс приводит к поднятию и постоянному росту призмы. Новые разломы формируются в её основании, а более древние структуры вращаются, создавая последовательность деформации, омолаживающуюся в сторону моря. Таким образом, клин систематически наращивает свои размеры в течение геологического времени.

Породы фундамента субдуцирующей плиты могут тектонически сдираться и включаться в призму в виде отторженцев. Они часто представлены базальтом, габбро и ультраосновными породами, иногда сохраняя стратиграфию офиолитовой последовательности. Эти блоки заключены в меланжах — хаотичных смешанных образованиях с глинистой, сланцевой или серпентинитовой матрицей. Меланжи являются типичными породами конвергентных границ, формирующимися в результате интенсивного тектонического перемешивания.

Существуют принципиальные различия между дугами андского типа и дугами марианского типа. Андские дуги характеризуются относительно мелководными желобами (<6 км) и субдукцией молодой коры, в то время как Марианскому типу свойственны глубокие желоба (~11 км) и погружение старой коры по крутой зоне Бениоффа. Задуговые области андского типа включают складчато-надвиговые пояса на мощной коре (~70 км), а марианского — задуговые бассейны с океаническим спредингом на тонкой коре (~20 км).

Векторы относительного движения в дугах. Изменения в относительных движениях могут привести к кардинальным изменениям геологии дуг. Vu = скорость нижней пластины; Vo = скорость верхней пластины; Vb = вектор скольжения между верхней и нижней пластинами; Vg = скорость погружения; Vr = скорость отката. Заметим, что Vu sin a = скорость нисходящей составляющей субдукции, а Vr = Vg cot ∞.

Магматизм в этих типах дуг также различен. Для андского типа характерны редкие кислые риолитовые и андезитовые вулканы и масштабный плутонизм, тогда как марианский тип производит частые излияния кремнезёмистых базальтов. Многие дуги носят переходный характер. Скорость конвергенции влияет слабо; ключевыми факторами являются возраст субдуцируемой коры и векторы относительного движения плит. Старая плотная кора вызывает откат плиты, что может привести к растяжению и формированию задугового бассейна.

Вариативность дуговых процессов определяется относительными векторами сближения плит. В кинематических моделях активная вулканическая дуга соответствует изобате ~110 км на погружающейся плите. Наклонное схождение и компонента сдвига, а также откат плиты, зависящий от её возраста, определяют, будет ли происходить растяжение или сжатие в верхней плите. Эта модель объясняет весь спектр от растягивающих до сжимающих дуг.

Тепловая структура дуг определяется холодной субдуцирующей плитой, охлаждающей преддуговую область. Флюиды, высвобождаемые с плиты на глубине ~110 км, инициируют частичное плавление мантии и генерацию дуговых магм. Это создаёт парные метаморфические пояса: низкотемпературный высокобарический метаморфизм в желобе и высокотемпературный — в дуге. Минералы-индикаторы, такие как глаукофан и жадеит, характерны для эксгумированных пород палеожелобов.

Заснеженная гора Фудзи в Японии — классический действующий конвергентный краевой вулкан

Преддуговые прогибы аккумулируют километровые толщи осадков вследствие тектонической нагрузки или термического прогиба. Примером ископаемого бассейна является долина Грейт-Вэлли в Калифорнии, сохранившаяся на офиолитовом фундаменте. Современным активным аналогом служит залив Кука на Аляске. Эти бассейны отражают тектоно-седиментационную эволюцию конвергентной окраины.

Вулканизм активной дуги порождает разнообразные породы: лавовые потоки, туфы, вулканокластические и пелагические отложения. Широко распространены лахары и отложения плинианских извержений. По составу преобладают известково-щелочные серии. Незрелые островные дуги изливают толеитовые базальты и пикриты, а зрелые континентальные — более кислые магмы, формируя крупные кальдеры.

Задуговые и окраинные бассейны формируются за счёт растяжения или представляют собой захваченные фрагменты океанической коры. В юго-западной части Тихого океана множество спрединговых задуговых бассейнов, а Берингово море считается корой, захваченной за Алеутской дугой. Их спрединг похож на срединно-океанический, но лавы несут геохимические признаки влияния субдукционных флюидов.

Сжимающие дуги, как Анды, характеризуются высокими (>7000 м) горами, мощным плутонизмом, мелкопогружающейся плитой и задуговым прогибом на континенте. Для них типичны сильные сжимающие землетрясения и явление субдукционной эрозии. Вулканизм в Андах демонстрирует резкие латеральные изменения: сегменты с крутым погружением плиты вулканически активны, а с пологим — лишены вулканов.

Таким образом, конвергентные границы представляют собой сложные динамические системы. Их разнообразие определяется взаимодействием кинематики плит, возрастом и составом субдуцируемой литосферы, а также термо-гидродинамическими процессами. Изучение этих зон от желоба до задуговой области фундаментально для понимания роста континентальной коры, орогенеза и тектонической эволюции Земли в целом.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.