Szubdukció geofizikai jellemzői Németh Alexandra 2014 szeptember
S7 Vázlat: 1. Bevezetés: A szubdukció elemei, alapfogalmak tisztázása, a különböző kőzetek szeizmikus tulajdonságai és az erre épülő módszerek 2. Mi befolyásolhatja a szubdukciót? a, A szubdukálódó lemez litológiája (metaszomatózis, metamorfózis) b, Kora b1, szubdukció sebessége b2, szöge, b3, szubdukálódó lemez hőmérséklete, 3. A sheer heating szerepe 4. A köpenyék konvekció szerepe 5. A dupla szeizmikus zónák 6. Az óceáni lemezek sorsa D réteg
Slide 2 S7 Peacock Szandra, 10/14/2014
S13 A szubdukció elemei
Slide 3 S13 Peacock Szandra, 10/14/2014
S10 A litoszféra kétféle fogalma: mechanikus tulajdonság vagy a hőátadás módja szerint A felszíntől az elasztikusan már nem deformálódó zónáig A felszíntől a konduktív és konvektív hőátadás közötti váltásig
Slide 4 S10 Peacock Szandra, 10/14/2014
S11 A szubdukálódó litoszféra tagolása a változó alábukási szög alapján sekély fészkű földrengések updip edge downdip edge közepes fészkű földrengések
Slide 5 S11 Peacock Szandra, 10/14/2014
A szubdukálódó lemez geometriájának és kőzettani összetételének megismerése S és P hullámok terjedése alapján 1. A közegtől függően más más sebességgel terjedhetnek az S és P hullámok 2. Kőzettani diszkontinuitások generálhatnak S hullámból P t (b ábra) és fordítva (a ábra). 3. A P hullámok érkezése után a szeizmogramon a generált S hullámokat lehet megfigyelni, a S előtt a diszkontinuitás által generált P t. A konverzió mélységéből a szubdukálódó lemez tetejének a mélységére lehet következtetni 4. Ha egy hullám a hullámhosszával osztható vastagságú réteges testhez ér akkor felerősödik. Ha a hullámok rezgési síkja párhuzamos a rétegekkel a rövidebb hullámhosszú hullámok a keskenyebb rétegekben fognak haladni és a hullámforma megváltozhat a különböző sebességű rétegek miatt
az S és P hullámok sebességváltozása a szubdukálódó lemezben és a köpenyékben nem monoton, tehát nem csak a hőmérséklet/nyomás miatt, hanem a kőzettani inhomogenitás miatt is változik a visszaverődő hullámok az óceáni lemez rétegzettségére utalnak a lemez felszínén kialakult amfibolit fáciesű kőzetek megemelik a hullámok terjedési sebességét 14 % al a metabazaltban kezdetben 6 8, később csak 3 % os sebességnövekedés van
S1 2. Mi befolyásolhatja a szubdukciót? a, A szubdukálódó lemez litológiája (metaszomatózis, metamorfózis) b, Kora b1, szubdukció szöge b2, szubdukció sebessége, b3, szubdukálódó lemez hőmérséklete,
Slide 8 S1 Peacock Szandra, 10/14/2014
a, a szubdukálódó lemez litológiája Stein & Stein 1996
a, a szubdukálódó lemez litológiája +a bazaltokat érő kis hőmérsékletű metaszomatózis az óceánok aljzatán metabazalt: 12 m/m% kal dúsult H2O, CO2 és K val kiemelkedően piroxén klorit összetett litológia nagy porozitású vulkaniklasztok+lisztrikus vetők oldatok által átjárható
S5 b, A lemezek kora Aleut szigetek Kurill szigetek Japán Marianna árok Indonézia Dél Amerika
Slide 11 S5 Peacock Szandra, 10/14/2014
S6 b, A lemezek kora eltérő sűrűség b1, más szubdukciós szög Aleut szigetek Kurill szigetek Japán Marianna árok Indonézia Dél Amerika
Slide 12 S6 Peacock Szandra, 10/14/2014
S2 b, A lemezek kora b2, más sebesség Stein, 1996
Slide 13 S2 Peacock Szandra, 10/14/2014
Szubdukció sebessége meghatározhatja, hogy hol történik a dehidratáció Pl. Tonga, Fülöp szigetek, Indonézia Pl. Dél Amerika, Mediterráneum, Kirby, 1996
b3, lemez kora hőmérséklete Stein & Stein 1996
Stein & Stein 1996
b, a szubdukálódó lemez korából adódó tulajdonságok összevonva 1.
b, a szubdukálódó lemez korából adódó tulajdonságok összevonva 2. Peacock, 1996
3. a Shear heating hatása Az óceáni lemez és a kontinentális litoszféra érintkezésénél erős deformáció lép fel vetősíkok mentén. Az itt, csúszásisúrlódásból termelődő hő nagyban befolyásolhatja a szubdukálódó lemez termális fejlődését. =nyírási stressz (nyomás) Pa =szubdukció sebessége (mm/év) Van Keken et al., 2002
A szubdukálódó lemez hőmérsékletét leíró egyenlet (50 km mélységig): Q 0 = általános hőfluxus (W/m 2 ) Q sh = nyírásból eredő hőfluxus Z f = vető mélysége K = termális konduktivitás (W/(m K) S = advekciós osztó B = konstans, kb. 1 V = konvergencia sebessége = szubdukciós szög == termális diffúzió (m 2 /s) Gyorsabb konvergencia + meredekebb szubdukció Nagyobb hőmérsékletű szubdukálódó lemez Kisebb hőmérsékletű nyírási zóna Nagyobb hőmérsékletű nyírási zóna
Indonézia Fülöp szigetek Gyorsabb konvergencia + meredekebb szubdukció Kisebb hőmérsékletű lemezfelület Dél Amerika Nagyobb hőmérsékletű szubdukálódó lemez Nagyobb hőmérsékletű lemezfelület
Hogyan hat együttesen a shear stress és a szubdukció különböző sebessége? Peacock, 1996
Állandó shear stress Nyomással lineárisan növekedő shear stress Peacock, 1996 Ahogy egyre mélyebbre jut a lemezdarab a seismic plate mentén, a shear stress nő
Peacock, 1996
nincs súrlódási hő +gyors szubdukció: kisebb hőmérséklet a lemez felületén van súrlódási hő +gyors szubdukció: nagyobb hőmérséklet fiatal lemez: nincs súrlódási hő +lassabb szubdukció: kisebb hőmérséklet a nyírási zónában Peacock, 1996 van súrlódási hő+lassabb szubdukció + indukált köpeny konvekció: 50 km fölött (C), alatta számít
4.Szubdukció által indukált köpeny konvekció hatása A szubdukálódó lemez hőmérsékletét leíró egyenlet (50 km mélység alatt = is befolyásolja): A köpenyék áramlás+ rideg plasztikus átmenet miatt időben változó hőtranszfer: Az, hogy mennyi hőt kaphat a szubdukálódó lemez a köpenyék konvekciótól függ a közöttük működő termális diffúziótól, a szubdukció sebességétől és a köpenyék anyagának tulajdonságaitól A=egységnyi térfogatban termelődő hő (W/m 3 ) k=termális konduktivitás (W/(m*K) V=konvergencia sebessége C= hőkapacitás (J/kg*K) =termális diffúzió (m 2 /s)
4.Szubdukció által indukált köpeny konvekció hatása A köpenyék konvekciót a szubdukálódó lemez vonszolása indukálja. A konvekció során melegebb köpenyanyag áramlik a szubdukálódó lemez és a köpenyék felületéhez, mely több száz C kal megemelheti a lemez hőmérsékletét a felületén. Ez alapján a köpenyék termális struktúrája befolyással van a hőtranszferre. Az, hogy milyen a termális struktúrája több tényezőtől függ: a szubdukálódó lemez viszkozitása termális felhajtóerő kőzettani felhajtóerő Számos tanulmány modellje alapján az áramlási mező miden esetben hasonló, de a termális struktúra nagyon különbözhet a határfelületeken zajló hőátadás és a viszkozitásból adódó különbség miatt
5. DSZ: kettős szeizmikus zónák A földrengések kipattanási helye egy adott minta szerint oszlik el számos szubdukciós zónában: 100 km mélységig a downdip ponttól gyakran a szubdukálódó lemez felső felülete mentén pattannak ki Nagyobb mélységig egy ezzel közel párhuzamos zónában is megfigyelték ezeket, ennek a zónának az eredete vitatott Ruff 1996 Seno and Yamanaka, 1996 dehidratáció Abers, 1996 Óceáni lemezben a keletkezés óta lappangó olvadék zsebek
5. DSZ: kettős szeizmikus zónák Ruff 1996
5. DSZ: Seno and Yamanaka, 1996 Hidratáció dehidratáció: a legtöbb óceáni lemez története összetett: egy plum hatására hidratáció mehet végbe a lemez adott részeiben magyarázat arra, hogy miért nincs minden szubdukálódó lemezben egy mélyebb szeizmikus zóna
5. DSZ: Abers, 1996 Lemez keletkezésekor maradt olvadék bazalt/eklogit átalakulásakor Abers, 1996
6. Az óceáni lemezek sorsa D réteg? Wysession, 1996
Wysession, 1996
Wysession, 1996
Irodalom Abers, G.A., Plate structure and the origin of double seismic zones, in Subduction Top to Bottom, Geophysical Monograph 96, edited by G.E. Bebout, D. Scholl, and S. Kirby, AGU, Washington, D.C., p.223 228, 1996. Helffrich, G., Subducted lithospheric slab velocity structure: Observations and mineralogical inferences, in Subduction: Top to Bottom, edited by Bebout, G. E., et al., 215 222, AGU Geophysical Monograph 96, Washington, D.C., 1996. Kirby, S. H., E. R. Engdahl, and R. Denlinger, Intraslab earthquakes and arc volcanism: dual physical expressions of crustal and uppermost mantle metamorphism in subducting slabs, in Subduction:Top to Bottom, edited by Bebout, G. E., et al., 195 214, AGU Geophysical Monograph 96, Washington, D.C., 1996 Larry J. Ruff and Bart W. Tichelaar, What Controls the Seismogenic Plate Interface in Subduction Zones? in: Subduction: Top to Bottom, AGU Geophysical Monograph Volume 96, edited by Gray E. Bebout, David W. Scholl, Stephen H. Kirby, and John P. Platt, pp. 105 111, 1996. Peacock, S. M., Thermal and petrologic structure of subduction zones, in Subduction: Top to Bottom, edited by Bebout, G. E., et al., 119 133, AGU Geophysical Monograph 96, Washington, D.C., 1996 Seno, T., and Y. Yamanaka Double seismic zones, compressional deep trench outer rise events and superplumes in Subduction Top to Bottom, edited by G. E. Bebout, D. W. Scholl, S. H. Kirby, and J. P. Platt Geophys. Monogr. 96 347 355 1996 Staudigel, H., Plank, T., White, B. and Schmincke, H. U. (1996). Geochemical fluxes during seafloor alteration of the upper oceanic crust: DSDP sites 417 418. In: Subduction top to bottom. Geophysical Monograph. Bebout, G.E., Scholl, D.W., Kirby, S.H. and Platt, J.P. (Editors), American Geophysical Union, Washington, D.C.. 96: 19 38. Stein, S., and C. Stein, Thermo mechanical evolution of oceanic lithosphere: implications for the subduction process and deep earthquakes, in: Subduction: Top to Bottom, Geophysical Monograph 96 edited by G. Bebout, D. School, and S. Kirby, Am. Geophys. Un., Washington, D.C., 1 17, 1996. Wysession, M. E., Imaging Cold Rock at the Base of the Mantle: The Sometimes Fate of Slabs?, in Subduction: Top to Bottom (Geophys. Monogr. Ser., Vol. 96), ed. by G. E. Bebout, D. W. Scholl, S. H. Kirby, and J. P. Platt, AGU: Washington, D. C., 369 384, 1996.