Расслоение океанической плиты объясняет крупнейшие землетрясения в Европе

Международное исследование впервые выявило ранее не наблюдавшийся геологический процесс: расслоение океанической литосферы. Этот механизм, обусловленный слоем ослабленных пород, мог быть причиной разрушительных Лиссабонских землетрясений 1755 и 1969 годов и мог стать первым шагом к началу смыкания Атлантического океана.

Группа учёных объявила об открытии, которое меняет наше представление о том, как Земля устроена у нас под ногами. Используя сейсмическую визуализацию и компьютерное моделирование, они обнаружили первые доказательства того, что крупная океаническая плита «отслаивается» от поверхности и погружается в мантию Земли у берегов юго-западной Португалии и Испании.

Этот процесс, называемый океанической деламинацией, до сих пор считался невозможным большинством геологов, которые полагали, что жесткая и плотная океаническая литосфера может быть возвращена в недра Земли только посредством субдукции, то есть непрерывного погружения под другую плиту.

Открытие, опубликованное в журнале Nature Geoscience, разрешает многолетнюю научную загадку и предлагает убедительное объяснение крупнейших землетрясений, зарегистрированных в Европе, включая Великое Лиссабонское землетрясение 1755 года.

Статья начинается с субдукции океанической литосферы и деламинации континентальной литосферы – двух основных механизмов, посредством которых поверхность Земли возвращается в мантию. В отличие от этого, океаническая литосфера обычно считается достаточно жёсткой, чтобы препятствовать деламинации. Здесь мы показываем… что деламинация океанической литосферы происходит у юго-западного побережья Иберийского полуострова.

Рассматриваемый регион, юго-западная Иберийская окраина, представляет собой зону столкновения тектонических плит Африки и Евразии. Здесь Африка движется на север со скоростью около 4 миллиметров в год, сжимая всё на своём пути. Это медленное, но неумолимое столкновение привело к одним из самых мощных землетрясений в истории континента.

Самым известным из них является Лиссабонское землетрясение 1755 года, магнитуда которого оценивалась от 8,5 до 8,7. Подземные толчки, за которыми последовали цунами и разрушительный пожар, разрушили португальскую столицу и унесли жизни десятков тысяч человек. В 1969 году в том же регионе произошло ещё одно мощное землетрясение магнитудой 7,9, на этот раз с эпицентром, расположенным под абиссальной равниной Подкова — плоским и глубоким участком морского дна.

Проблема заключалась в том, что после десятилетий поисков учёные так и не смогли найти виновника разлома. На морском дне не было видимых тектонических структур, достаточно крупных, чтобы вызвать подобные землетрясения. Например, землетрясение 1969 года произошло на глубине 30 км под плоской, казалось бы, спокойной осадочной равниной, вдали от каких-либо крупных отмеченных на карте разломов. Это была первоклассная геологическая загадка.

Ключ к разгадке тайны нашли современные методы сейсмической томографии, своего рода компьютерной томографии Земли. Анализируя, как сейсмические волны, генерируемые дальними землетрясениями, распространяются в недрах Земли, учёные могут создавать трёхмерные изображения глубинных структур.

Результаты, полученные на этих снимках, оказались неожиданными: огромная высокоскоростная аномалия, простирающаяся примерно на 250 км в глубину, прямо под абиссальной равниной Подкова, точным местом землетрясения 1969 года. Эта аномалия указывает на присутствие материала, более холодного и плотного, чем окружающая среда, — обычно это слой океанической литосферы.

Однако традиционная интерпретация имела один недостаток: если бы эта плита образовалась в результате типичной субдукции, это означало бы, что верхняя часть земной коры сократилась более чем на 200 км. Однако геологические наблюдения показывают, что сокращение земной коры гораздо меньше, всего на 20–50 км. Как могла существовать такая глубокая плита, если бы на её поверхности не наблюдалось признаков столь сильного сжатия?

Международная группа под руководством Жуана С. Дуарте из Лиссабонского университета предложила радикальную идею: плита не погружается в процессе непрерывной субдукции, а, скорее, отслаивается от вершины.

Их теория заключается в следующем: океаническая литосфера в этом регионе особенная. Она представляет собой остаток сильно растянутой континентальной окраины во время открытия Атлантики, где базальтовая океаническая кора так и не сформировалась. Вместо этого верхняя мантия вышла на морское дно и серпентинизировалась.

Серпентинизация — это процесс, при котором мантийные породы реагируют с морской водой, становясь зеленее, слабее и значительно менее плотными. Этот серпентинизированный слой пород толщиной около 10 км действует как естественный отшелушивающий слой, гигантская смазывающая поверхность, позволяющая плотной, холодной мантийной литосфере отделиться от более лёгкой осадочной коры над ней.

В исследовании поясняется, что мы предполагаем, что слабая серпентинизированная мантийная литосфера действует как слой, который отделяет положительно плавучую осадочную кору от отрицательно плавучей нижележащей мантийной литосферы.

Кроме того, эта потенциально отслаивающаяся плита удобно «обрамлена» между двумя крупными изначально существовавшими вертикальными разломами: разломом Глория и зоной разлома Тайдман , которые действуют как боковые границы, способствующие погружению целого блока.

Чтобы проверить свою гипотезу, группа провела сложное численное моделирование, воссоздавшее на компьютере миллионы лет геологической эволюции.

При моделировании области с одним разломом образовалась типичная зона субдукции с укорочением земной коры, которое не наблюдается в реальности. Но когда в модель были добавлены два пограничных разлома и важный серпентинизированный слой, произошло нечто «иное и неожиданное»: блок мантийной литосферы между двумя разломами начал отслаиваться и погружаться на север, под Евразийскую плиту.

Серпентинизированный слой деформировался, поглотив большую часть укорочения и полностью отделив глубинную деформацию от поверхностной коры, которая оставалась относительно ровной. Прямо над опускающимся блоком образовался крупный сброс с северным падением, который, вероятно, и вызвал землетрясения. Тем временем на поверхности, в положении, аналогичном положению банки Горриндж (подводной горы в этом районе), образовался ещё один сброс с южным падением.

Исследование имеет далеко идущие последствия. Первое и самое непосредственное заключается в том, что оно раскрывает природу сильных землетрясений. Авторы рассчитали, что разлом, падающий на север и сформированный в их модели, имеет площадь разрыва около 20 000 км². Согласно их расчётам, если бы этот разлом полностью разорвался, это могло бы вызвать землетрясение магнитудой 8,6 , что вполне объясняет события 1755 года. Частичный разрыв протяженностью около 80 км вызвал бы землетрясение магнитудой 8, как в 1969 году.

Во-вторых, это может быть первый задокументированный случай океанической деламинации. Этот процесс требует весьма специфических условий: старой, мощной, серпентинизированной океанической литосферы с уже существующими ослабленными зонами, подверженной конвергентному сжатию. Такие условия могут возникать только на древних, сильно растянутых континентальных окраинах и размытых границах плит, как в данном случае.

Наконец, и, пожалуй, самое интересное, этот процесс отслаивания может стать искрой, запускающей субдукцию. Возникновение зоны субдукции посреди океана, подобного Атлантическому, — одна из величайших нерешённых проблем тектоники плит. Для этого требуется раскол и изгиб очень стабильной плиты, что крайне сложно.

Предыдущая работа, сравнивающая процессы деламинации и субдукции, два способа рециркуляции литосферы, предполагает, что деламинация может требовать меньше механической работы, чем субдукция. Это может объяснить, почему при определённых условиях деламинация может предшествовать началу субдукции (и даже способствовать ему), отмечают авторы.

Исследование предлагает видение будущего: если процесс продолжится, отслоившийся блок в конечном итоге полностью отделится, и евразийская литосфера начнёт погружаться под Африканскую плиту, образуя новый субдукционный интерфейс. Эта зарождающаяся система со временем может объединиться с системой Гибралтара и в конечном итоге поглотить дно Атлантического океана, положив начало его закрытию в течение десятков миллионов лет.

Открытие того, что океанические плиты не только погружаются, но и могут отслаиваться, открывает новую главу в глобальной геодинамике и помогает нам понять грозные процессы, которые формируют нашу планету и которые время от времени напоминают нам о своей мощи катастрофическими событиями, такими как то, которое разрушило Лиссабон 270 лет назад.