Глубокофокусные землетрясения: пространственное распределение, возможные причины и геодинамические следствия

Пространственный анализ положения гипоцентров землетрясений в транзитной зоне верхней мантии и фокальных механизмов сильнейших из них в субдукционных слэбах охотоморского сегмента Курило-Камчатской и япономорского сегмента Японской островной дуги показал существенное различие в морфологии этих слэбов, в положении гипоцентров землетрясений относительно активной и стагнирующей части слэбов и сил, вызывающих эти землетрясения. Приведенные в работе сейсмические данные подтверждают наличие двух типов погружения океанических литосферных плит в мантию и их дальнейшую судьбу в связи с различными геологическими процессами на границе между верхней и нижней мантией. Рассмотрены возможные причины, в том числе связанные с фазовыми переходами, глубинных сейсмофокальных землетрясений, при которых происходит расщепление океанических литосферных плит на глубинах у границы верхняя – нижняя мантия. Субдукция океанических литосферных плит и их расщепление определяют возможность поступления коровых элементов в нижнюю мантию и далее в слой D″, где зарождаются новые плюмы, вызывающие поступление с глубинными магмами рециклированного вещества в коровую оболочку Земли. Глубокофокусные землетрясения являются необходимым звеном механизма рециклирования химических элементов в системе земная кора – мантия – слой D″, приводящего к появлению широкой гаммы месторождений полезных ископаемых.

1. Argus D.F., Gordon R.G., DeMets C., 2011. Geologically current motion of 56 plates relative to the no-net-rotation reference frame. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 12 (11), Q11001. https://doi.org/10.1029/2011GC003751.

2. Батыгин К., Лафлин Г., Морбиделли А. Рожденные из хаоса // В мире науки. 2016. № 7. С. 16–27.

3. Bevis M., Taylor F.W., Schutz В.E., Recy J., Isacks B.L., Helu S., Singh R., Kendrick E., Stowell J., Taylor B., Calmantli S., 1995. Geodetic observations of very rapid convergence and back-arc extension at the Tonga arc. Nature 374 (6519), 249–251. https://doi.org/10.1038/374249a0.

4. Campbell I.H., Griffiths R.W., 2014. Did the formation of D″ cause the Archaean–Proterozoic transition? Earth and Planetary Science Letters 388, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.11.048.

5. Chebrova A.Y., Chebrov V.N., Gusev A.A., Lander A.V., Guseva E.M., Mityushkina S.V., Raevskaya A.A., 2015. The impacts of the Mw 8.3 Sea of Okhotsk earthquake of May 24, 2013 in Kamchatka and worldwide. Journal of Volcanology and Seismology 9 (4), 223–241. https://doi.org/10.1134/S074204631504003X.

6. Chen H., Xia Q-K., Ingrin J., Deloule E., Bi Y., 2017. Heterogeneous source components of intraplate basalts from NE China induced by the ongoing Pacific slab subduction. Earth and Planetary Science Letters 459, 208–220. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.11.030.

7. Chen Y., Wen L., 2015. Global large deep-focus earthquakes: Source process and cascading failure of shear instability as a unified physical mechanism. Earth and Planetary Science Letters 423, 134–144. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2015.04.031.

8. Condie K.C., 2011. Earth as an Evolving Planetary System. 2nd Edition. Elsevier, Amsterdam, 578 p.

9. Добрецов Н.Л. Основы тектоники и геодинамики. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2011. 492 с.

10. Ekström G., Nettles M., Dziewoński A.M., 2012. The global CMT project 2004–2010: Centroid-moment tensors for 13,017 earthquakes. Physics of the Earth and Planetary Interiors 200–201, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2012.04.002.

11. Ernst R.E., 2014. Large Igneous Provinces. Cambridge University Press, Cambridge, 651 p.

12. Frohlich C., 2006. Deep Earthquakes. Cambridge University Press, Cambridge, 574 p.

13. Габуда С.П., Козлова С.Г. Неподеленные электронные пары и химическая связь в молекулярных и ионных кристаллах. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. 164 с.

14. Global CMT Catalog, 2017. Available from: http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html.

15. Hofmann A.W., 1997. Mantle geochemistry: the message from oceanic volcanism. Nature 385 (6613), 219–229. https://doi.org/10.1038/385219a0.

16. Irifune T., Ringwood A.E., 1993. Phase transformations in subducted oceanic crust and buoyancy relationships at depths of 600–800 km in the mantle. Earth and Planetary Science Letters 117 (1–2), 101–110. https://doi.org/10.1016/0012-821X(93)90120-X.

17. Kaminsky F.V., 2017. The Earth's Lower Mantle. Composition and Structure. Springer, Berlin, 331 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-55684-0.

18. Kanamori H., Anderson D.L, Heaton T.H., 1998. Frictional Melting During the Rupture of the 1994 Bolivian Earthquake. Science 279 (5352), 839–842. https://doi.org/10.1126/science.279.5352.839.

19. Karato S., Riedel M.R., Yuen D.A., 2001. Rheological structure and deformation of subducted slabs in the mantle transition zone: implications for mantle circulation and deep earthquakes. Physics of the Earth and Planetary Interiors 127 (1–4), 83–108. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(01)00223-0.

20. Khlebopros R.G., Zakhvataev V.E., Gabuda S.P., Kozlova S.G., Slepkov V.A., 2017. Possible mantle phase transitions by the formation of SiO2 peroxides: implications for mantle convection. Doklady Earth Sciences 473 (2), 416–418. https://doi.org/10.1134/S1028334X17040171.

21. Khlebopros R.G., Zakhvataev V.E., Slepkov V.P., Kuzmin M.I., 2016. On the possibility of phase transitions with the formation of SiO2 peroxide forms in the earth mantle and their effect on mantle convection. Journal of Structural Chemistry 57 (2), 417–421. https://doi.org/10.1134/S0022476616020256.

22. Kikuchi M., Kanamori H., 1994. The mechanism of the deep Bolivia earthquake of June 9, 1994. Geophysical Research Letters 21 (22), 2341–2344. https://doi.org/10.1029/94GL02483.

23. Kirby S.H., 1987. Localized polymorphic phase transformations in high‐pressure faults and applications to the physical mechanism of deep earthquakes. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 92 (B13), 13789–13800. https://doi.org/10.1029/JB092iB13p13789.

24. Kirby S.H., Durham W.B., Stern L.A., 1991. Mantle phase changes and deep-earthquake faulting in subducting lithosphere. Science 252 (5003), 216–225. https://doi.org/10.1126/science.252.5003.216.

25. Kirby S.H., Stein S., Okal E.A., Rubie D.C., 1996. Metastable mantle phase transformations and deep earthquakes in subducting oceanic lithosphere. Reviews of Geophysics 34 (2), 261–306. https://doi.org/10.1029/96RG01050.

26. Koulakov I.Y., Dobretsov N.L., Bushenkova N.A., Yakovlev A.V., 2011. Slab shape in subduction zones beneath the Kurile–Kamchatka and Aleutian arcs based on regional tomography results. Russian Geology and Geophysics 52 (6), 650–667. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2011.05.008.

27. [Кузьмин М.И. Докембрийская история зарождения и эволюции Солнечной системы и Земли. Статья I // Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 3. С. 625–640. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-3-0146.

28. Kuz’min M.I., Yarmolyuk V.V., Kravchinsky V.A., 2011. Phanerozoic within-plate magmatism of North Asia: Absolute paleogeographic reconstructions of the African large low-shear-velocity province. Geotectonics 45 (6), 415–438. https://doi.org/10.1134/S0016852111060045.

29. Kuzmin M.I., Yarmolyuk V.V., 2016a. Changes in the manner of tectonic movements under the Earth’s evolution. Doklady Earth Sciences 469 (2), 802–806. https://doi.org/10.1134/S1028334X16080249.

30. Kuzmin M.I., Yarmolyuk V.V., 2016b. Plate tectonics and mantle plumes as a basis of deep-seated Earth’s tectonic activity for the last 2 Ga. Russian Geology and Geophysics 57 (1), 8–21. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.01.002.

31. Кузьмин М.И., Ярмолюк В.В. Биография Земли: основные этапы геологической истории // Природа. 2017. № 6. С. 12–25.

32. Kuzmin M.I., Yarmolyuk V.V., Ernst R.E., 2016. Tectonic activity of the early Earth (4.56-3.4 (2.7?) Ga). Russian Geology and Geophysics 57 (5), 639–652. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.04.003.

33. Кузьмин М.И., Ярмолюк В.В., Котов А.Б., Горячев Н.А. Магматизм и металлогения ранних этапов развития Земли как отражение ее геологической эволюции // Геология и геофизика. 2018 (в печати).

34. Левин Б.В., Ким Чун Ун, Нагорных Т.В. Сейсмичность Приморья и Приамурья 1888–2008 гг. // Вестник ДВО РАН. 2008. № 6. С. 16–22.

35. Li C., van der Hilst R.D., Engdahl E.R., Burdick S., 2008. A new global model for P wave speed variations in Earth's mantle. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 9 (5), Q05018. https://doi.org/10.1029/2007GC001806.

36. Лыскова Е.Л. Глубокофокусные землетрясения // Вопросы геофизики. Вып. 47 (Ученые записки СПбГУ № 447). СПб.: Изд-во СПбГУ, 2014. С. 62–74.

37. Maruyama S., 1994. Plume tectonics. Journal of Geological Society of Japan 100, 24–49.

38. Meade C., Jeanloz R., 1991. Deep-focus earthquakes and recycling of water into the Earth's mantle. Science 252 (5002), 68–72. https://doi.org/10.1126/science.252.5002.68.

39. National Earthquake Information Center (NEIC), 2017. Available from: http://earthquake.usgs.gov.

40. Ogawa M., 1987. Shear instability in a viscoelastic material as the cause of deep focus earthquakes. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 92 (B13), 13801–13810. https://doi.org/10.1029/JB092iB13p13801.

41. Печерский Д.М., Диденко А.Н., Лыков А.В., Тихонов Л.В. Петромагнитная модель океанической литосферы // Физика Земли. 1993. № 12. С. 29–45.

42. Шерман С.И. Сейсмический процесс и прогноз землетрясений: тектонофизическая концепция. Новосибирск: Академическое издательство «Гео», 2014. 359 с.

43. Tatevossian R.E., Kosarev G.L., Bykova V.V., Matsievskii S.A., Ulomov I.V., Aptekman Z.Y., Vakarchuk R.N., 2014. A deep-focus earthquake with Mw=8.3 felt at a distance of 6500 km. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 50 (3), 453–461. https://doi.org/10.1134/S1069351314030124.

44. Turner H.H., 1922. On the arrival of earthquake waves at the antipodes, and on the measurement of the focal depth of an earthquake. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Geophysical Supplement 1 (1), 1–13. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1922.tb05354.x.

45. Van der Hilst R.D., Engdahl E.R., Spakman W., 1993. Tomographic inversion of P and pP data for aspherical mantle structure below the northwest Pacific region. Geophysical Journal International 115 (1), 264–302. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1993.tb05603.x.

46. Varga P., Rogozhin E.A., Süle B., Andreeva N.V., 2017. A study of the energy released by great (M≥7) deep focus seismic events with allowance for the Mw 8.3 earthquake of May 24, 2013 in the Sea of Okhotsk, Russia. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 53 (3), 385–409. https://doi.org/10.1134/S1069351317030132.

47. Вернадский В.И. Несколько слов о ноосфере // В.И. Вернадский. Философские мысли натуралиста. М.: Наука, 1988. С. 503–513.

48. Yarmolyuk V.V., Kuzmin M.I., Vorontsov A.A., Khomutova M.Y., 2013. West Pacific-type convergent boundaries: Role in the crust growth history of the Central-Asian orogen. Journal of Asian Earth Sciences 62, 67–78. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2012.10.030.

49. Ye L., Lay T., Kanamori H., Koper K.D., 2013. Energy release of the 2013 Mw 8.3 Sea of Okhotsk earthquake and deep slab stress heterogeneity. Science 341 (6152), 1380–1384. https://doi.org/10.1126/science.1242032.

50. Zhan Z., Kanamori H., Tsai V.C., Helmberger D.V., Wei S., 2014. Rupture complexity of the 1994 Bolivia and 2013 Sea of Okhotsk deep earthquakes. Earth and Planetary Science Letters 385, 89–96. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.10.028.

51. Zhao D., Tian Y., 2013. Changbai intraplate volcanism and deep earthquakes in East Asia: a possible link? Geophysical Journal International 195 (2), 706–724. https://doi.org/10.1093/gji/ggt289.

52. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. Элементарное введение в планетную и спутниковую геофизику. М.: ООО «Наука и образование», 2013. 414 с.

53. Зоненшайн Л.П., Кузьмин М.И. Внутриплитовый вулканизм и его значение для понимания процессов в мантии Земли // Геотектоника. 1983. № 1. С. 28–45.

54. Зоненшайн Л.П., Кузьмин М.И. Палеогеодинамика. М.: Наука, 1993. 196 с.

55. Зоненшайн Л.П., Кузьмин М.И., Моралев В.М. Глобальная тектоника, магматизм и металлогения. М.: Недра, 1976. 231 с.