The role of the back-arc basin in forming slab heterogeneity and generating volcanism in the Kuril-Kamchata Island arc

Толық мәтін

ВВЕДЕНИЕ

Курило-Камчатская островная дуга (КKОД) образует северо-западное звено Тихоокеанского Огненного Кольца. КKОД простирается от Малко-Петропавловской зоны поперечных дислокаций на Камчатке до сочленения с северо-восточной дугой Хонсю на о. Хоккайдо (рис. 1). В пределах Курил выделено 36 активных наземных вулканов [1] и 116 подводных вулканов четвертичного возраста [2]. Большая часть вулканов скрыта под водой, некоторые вулканы образуют изолированные острова, активность других можно идентифицировать только по находкам маркирующих горизонтов пирокластики на значительной территории. На основе анализа распределения вулканов вдоль ККОД было показано, что вулканический фронт дуги резко изгибается под углом 22–23° в районе пролива Буссоль [2]. В данном районе, в период с 2006 до 2009 гг. прошла серия сильных землетрясений с магнитудой до 8.3. Сопоставление местоположений очагов землетрясений с глубинным строением и тектоникой центральных Курил показало их соответствие зонам региональных разломов и областям аномального строения земной коры [3]. Это находит отражение в изменении гравитационного поля в свободном воздухе и нарушении геохимической зональности в районе пролива Буссоль [2]. По изотопно-геохимическим маркерам вулканитов северных Курил выделяется деплетированный источник мантии (N-MORB) и вовлечение в магмогенезис расплавов, связанных с плавлением субдукционного осадка, что, возможно, объяснимо термальной аномалией, фиксируемой под южной Камчаткой. Напротив, составы магматических пород центральных и южных Курил смещены в поле обогащённого типа мантии (E-MORB) [4]. Активный мантийный диапиризм и вулканическая деятельность в задуговом Курильском бассейне приводили к разогреву надсубдукционной мантии тыловой зоны южных Курил [5]. Цель настоящей работы – выявить генезис аномалии в центральном сегменте ККОД и идентифицировать роль задугового бассейна в формировании параметров слэба и соответственно коррелируемых проявлений вулканизма ККОД.

 

Рис. 1. Геодинамическое положение ККОД. Жёлтым цветом выделены отдельные идентифицированные вулканы тыла дуги и преддугового грабена пролива Буссоль по данным [2, 6, 7].

 

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для решения выявленной проблемы были использованы результаты предыдущих исследований. Анализ сейсмической активности вкрест простирания зоны субдукции проводился на основе данных Сахалинского филиала геофизической службы Российской Академии наук (рис. 2). Характер отношений слэба и мантии изучался с помощью мантийной томографии (рис. 3). Геофизические характеристики слэба вдоль дуги представлены с публикации [8]. Пространственное проявление вулканизма, в том числе расстояние до глубоководного желоба, объёмы продуктов извержений были проанализированы из компиляции многочисленных источников [2, 9, 10] (рис. 4).

 

Рис. 2. Проявление сейсмичности вкрест простирания зоны субдукции ККОД. Римские цифры на разрезах соответствуют локализации профилей на правой части рисунка. Цифры в нижней части разрезов обозначают средний угол погружения слэба.

 

Рис. 3. Аномалии скоростей̆ Р- и S-волн на вертикальных сечениях вкрест простирания КKОД по данным [11]. Точки — гипоцентры землетрясений. Положение сечений показано на карте в правой части рисунка.

 

Рис. 4. Геофизические параметры слэба и продуктивность вулканизма вдоль КKОД. Продуктивность вулканизма по данным [2, 9, 10]. Геофизические параметры слэба по данным [9]. Мощность коры на основе публикаций [17, 20]. Локализация сечения 4 по данным сейсмотомографии показана на рис. 3.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Распределение сейсмичности вкрест простирания зоны субдукции свидетельствует об уменьшении среднего угла наклона слэба с севера на юг (рис. 2). Данные мантийной томографии также подтверждают это заключение (рис. 3). Привлекает на себя внимание наличие низкоскоростной аномалий в тылу дуги на южных Курилах и некий меньший её размер на северных Курилах, что с геодинамической точки зрения соответствует наличию задугового Курильского бассейна (рис. 3).

Параметры погружающего слэба варьируют. Так возраст слэба увеличивается с севера дуги к югу и меняется от 105 до 125 млн л. соответственно (рис. 4). Резкие изменения скорости погружения плиты наблюдаются в центральном сегменте ККОД, что находит отражение в формировании астеносферного апвеллинга по данным сейсмической томографии (рис. 3, 4). Проведение детальной батиметрии, гравиметрии и сейсмического профилирования позволило предположить зону растяжения в центральных Курилах и активную деструкцию, тектонической природы [12]. Сопоставление возраста формирования вулканов в глубоком тылу дуги свидетельствует об омоложении структур с 25 млн л. [7] до совсем молодых, возрастом менее 0.7 млн л. на фронте [2] (рис. 1). Важно отметить наличие многочисленных вулканических построек от о. Симушир до глубоководного жёлоба, что интерпретируется как наличие осевой магмотогенной зоны наложенного рифтогенеза [12]. Временная эволюция вулканов с тыла на фронт дуги позволяет предположить постепенное формирование грабена в проливе Буссоль, связанное в развитием отличающихся структур северных и южных Курил. Коллизия на о. Хоккайдо и развитие сдвиговых структур на южных Курилах связано с формированием преддугового грабена в проливе Буссоль [13].

Одна из интересных проблем связана с причиной формирования разных параметров слэба северных и южных Курил. Так как, исходя из перечисленных выше аргументов становится понятным, что рифтогенная структура пролива Буссоль и омоложение вулканизма с тыла на фронт дуги связаны с растяжением, вызванным различием в скорости погружения, угле погружения слэба в данном районе. Принято считать, что возраст слэба влияет на скорость погружения и угол погружения. В случае с ККОД мы видим, что возраст меняется постепенно (рис. 4). Таким образом, становится понятным, что существует некий иной фактор, влияющий на изменение геофизических параметров слэба вдоль ККОД. Моделирование динамики слэба показало, что одним из важных параметров контролирующий изменение угла наклона слэба являются вариации реологических свойств мантийного клина [14]. Гетерогенность мантийного клина с разными реологическими свойствами, может быть, сформирована действием задугового бассейна, о чём свидетельствуют многочисленные публикации, главным образом, в широкой части открытия бассейна на юге ККОД: о. Хоккайдо [15], о. Ришири [2], о. Кунашир [5]. Спектр вариаций магм, формирование мощных кальдерообразующих извержений на о. Хоккайдо, скорее всего, связаны с действием задугового бассейна [16]. Так изменение реологических свойств мантийного клина за счёт открытия задугового бассейна привело к формированию косой зоны судбукции на южных Курилах [17].

Мощность коры варьирует от 32–36 км под южной Камчаткой, >35 км на севере Хоккайдо и минимальна (15–20 км) в центральном сегменте КKОД, в районе пролива Буссоль[18]. Анализ продуктивности вулканизма вдоль дуги свидетельствует о доминировании эксплозивных извержений на юге Камчатки и на севере о. Хоккайдо, что возможно связано с относительно большей мощностью коры. В то время как максимальные объемы (>300 км³) построек вулканов, приурочены к центральному сегменту ККОД. Изменения угла наклона слэба вдоль дуги находит отражение в локализации фронтальных вулканов и ширине вулканического пояса (рис. 4). Так с севера на юг Курил расстояние до глубоководного жёлоба составляет 160–260 км на севере, 155–290 км в районе пролива Буссоль и 185–285 км на южных Курилах [9]. Несмотря на относительно крутой угол наклона слэба на севере Курильских островов ширина вулканического пояса велика, возможно, это связано с наличием низкоскоростной аномалии, фиксируемой под о. Шумшу и дезинтеграции зоны магмогенерации к тылу дуги [19].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сопоставление параметров слэба и вулканизма вдоль ККОД позволило выявить взаимосвязь ширины вулканического пояса и расстояния до глубоководного желоба. Локализация объёмных вулканов, размер которых >300 км³ в центральных Курилах, наличие рифтогенной структуры, омоложение вулканических построек от тыла к преддуговому грабену связано с резкой сменой скорости движения слэба, угла погружения, несмотря на незначительные изменения возраста слэба. Возможной причиной выявленных изменений погружающейся плиты может быть гетерогенность мантийного клина и обогащение мантийного источника за счёт действия задугового бассейна на о. Хоккайдо и южных Курилах.

Благодарности

Выражаем благодарность Сахалинскому филиалу Геофизической службы РАН за предоставления данных о сейсмичности региона исследования.

Источник финансирования

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-77-10019, https://rscf.ru/project/22-77-10019/.

Авторлар туралы

O. Bergal-Kuvikas

Institute of Volcanology and Seismology, Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: kuvikas@mail.ru
Ресей, Petropavlovsk-Kamchatsky

E. Gordeev

Institute of Volcanology and Seismology, Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: kuvikas@mail.ru

Academician of the RAS

Ресей, Petropavlovsk-Kamchatsky

I. Koulakov

Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech); Institute of Petroleum Geology and Geophysics Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: kuvikas@mail.ru

Corresponding Member of the RAS

Ресей, Moscow; Novosibirsk

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар