Lez. 14. Zone di Subduzione

TETTONICA
Zone di subduzione
Prof. Luigi Ferranti
DiSTAR - Università di Napoli ‘Federico II’
Margini convergenti
Convergent plate boundaries
• Oceanic (subduction)
• Continent-continent (collision)
Classificazione dei
Margini di
subduzione
Secondo la natura della placca
UP:
-Oceanico (tipo
Marianne)
-Subcontinentale (tipo
Andino o Cileno)
Classificazione dei Margini di collisione
Zone di Subduzione
Volcano-trench distance 166±60 km
Mean depth of seismic zone
below volcano 124±38 km
Subduzioni Ripide (steep) vs. Piatte (flat)
Le subduzioni Flat sono presumibilmente causate da subduzione di litosfera “galleggiabile”, sia
perchè giovane (calda) sia perchè avviene con crosta più spessa del normale (Uyeda e
Kanamori, 1979)
•Presenza di cuneo
astenosferico
•Presenza di
vulcanismo
•Assenza di cuneo
astenosferico
•Assenza vulcanismo
•Catena di retropaese o
avampaese
Archi tipo“Marianna”
-subduzione ripida di litosfera
vecchia e fredda e
-estensione in arco e retroarco
Uyeda and
Kanamori
(1979)
Gli archi tipo“Cileno”
hanno una
subduzione “piatta”di
litosfera giovane e
calda e sono soggetti
a compressione
Uyeda and
Kanamori
(1979)
Segmenti a diverso
angolo di subduzione
sotto il Sud America
Steep Slab
Flat Slab
•Regioni a flat e a steep slab si
alternano
•Non ci sono archi vulcanici
sotto le regioni a “flat slab”
•In queste regioni si accumula
maggior stress.
•Queste rappresentano ~10%
delle zone di subduzione ma
~40% dei terremoti M>8
Flat Slab
Steep Slab
Flat Slab
Gutscher et al., 2000
Evoluzione di un segmento a
subduzione piatta (Cile-Ecuador)
Transizione da subduzione ripida a
piatta per arrivo di un plateau nella
fossa tra 20-12 Ma.
Vulcanismo calcalcalino localizzato
10-4 Ma: Ampliamento e
spostamento dell’arco seguendo lo
spostamento verso l’avampaese della
zona di fusione parziale.
Ampio vulcanismo adacitico
4-0 Ma Cessazione del vulcanismo,
catena di avampaese e uplift del
basamento
Trench Rollback (arretramento dello slab - Slab Retreat)
•L’Oceano
Pacifico è
divenuto più
piccolo anche in
zone di flat
subduction
•Ciò richiede la
migrazione delle
fosse verso gli
oceani
Garfunkel et al., 1986
Trench Rollback (arretramento dello slab - Slab Retreat)
•I tassi di trench roll-back
aumentano con l’età della litosfera
oceanica
•I tassi di roll-back sono ~10–25% dei
tassi di subduzione
retroarco
Garfunkel et al., 1986
retrocatena
Sismicità dei margini di subduzione
Si distinguono terremoti interplacca e intraplacca (sia la UP che la DOWN)
W=ampiezza della zona sismogenetica (limite lungo immersione dei terremoti
interplacca)
Assi di stress sismico degli slab
Gli assi di stress sismico riflettono le forze intra e interslab
Accoppiamento
Disaccoppiamento
Resistenza
all’affondamento
Isacks,1968
I piani di Benioff-Wadati
I terremoti intraslab si individuano nella litosfera oceanica subdotta (densa e fredda).
Sono presenti spesso due bande di terremoti nello slab subdotto.
Aleutine
Toksoz, 1976
Giappone
Uyeda, 1976
Profili delle Zone di Benioff: variabilità nell’inclinazione e cinematica
compressione
Passaggio da
estensione in alto
a compressione in
basso
estensione
compressione
Appiattimento
intorno ai 400650 km
estensione
compressione
Isacks & Molnar, 1972
Geometria profonda degli slab
cold
warm
La variazione di dip con la profondità e i tipi di meccanismi focali sono in relazione
con le discontinuità intramantelliche
Tomografia sismica delle zone di subduzione
(Albarede &
van der
Hilst, 2002)
Arc-trench complex
Spreading ridge
Hot spot
Arc volcano
Oceanic crust
Asthenosphere
Transition zone
370 km
670 km
Lower mantle
(Mesosphere)
2885 km
Outer core
(liquid)
5144km
(Stern, 2002)
Inner core
(solid)
6371km
(Don Anderson, New
Theory of the Earth,
2007)
Some subduction zones extend from the
surface to the core-mantle boundary;
others maybe only to the transition zone
or mid-mantle
– perhaps young plates are thermally
buoyant, thermally equilibrate rapidly,
and don’t sink far:
“just because some slabs penetrate below
670 km doesn’t mean they all do”
Zone di subduzione fredde
All subduction zones are
colder than surrounding
mantle.
Thermal effects of
subduction zones last a
long time.
Grand et al., 1997, GSA Today
Tomografia mantellica sotto gli US
Mantello profondo = Cimitero degli
slab?
Effetti degli slab freddi sul mantello
• L’iniezione di materiale
litosferico freddo si
riflette sul mantello in
due modi:
– Raffredda il mantello
circostante e lo forza
a discendere con la
litosfera subdotta
Seismic Tomography of a Cold
Subduction Zone (NE Honshu)
Honshu
Sea of Japan
0
Pacific
Ocean
Moho
100
– Rilascia fluidi che
risalgono nel
mantello sovrastante
causandone la
fusione
-4%
0%
5%
Relative P-wave velocity
Zhao et al., 1994
Differenze termiche nello slab sotto il Giappone
Le due zone di subduzione in
Giappone esemplificano le
differenze nella struttura termica:
-crosta oceanica del Cretacico
subduce sotto il Giappone NE
- crosta oceanica del Miocene
subduce sotto il Giappone SW
Cretaceous lithosphere
subducted beneath NE Japan
Cold, fast (and large thermal
parameter)
Miocene lithosphere
subducted beneath SW Japan
Warm, slow (and small thermal
parameter)
Peacock & Wang 1999
Lo slab ionico
Chiarabba et al ., 2008
Giardini & Selvaggi, 1998
Struttura profonda del Mediterraneo centrale
Faccenna et al ., 2007
Modelli della forma profonda degli slab
Gli slab in profondità possono presentare delle rotture (slab tear) oppure delle
strutture costrittive (buckling folds), che dipendono dal rapporto tra
inclinazione e raggio di curvatura della cerniera
Slab tear: slab troppo ripido per il raggio di
curvatura della cerniera
Buckling folds : slab troppo poco inclinato per
il raggio di curvatura della cerniera
Topografia dello slab ionico
subdotto
Le Slab tear (evolute a slab window) indicano
uno slab ripido nei primi 4-500 km
Faccenna et al ., 2007
Fusione dello slab subdotto
1974
Slab melting
was popular in
the 1970s,
then fell out of
favor
Deidratazione dello slab e produzione di fluidi
Today’s conventional textbook wisdom:
Dehydration reactions in subducted materials release water to the overlying mantle wedge and
progressively dehydrate the sinking slab
Schmidt & Poli, 1998
Doppi piani di Benioff
Doppi piani di Benioff in zone di subduzioni fredde: Giappone NE
earthquake
hypocenters (dots),
calculated
temperature (gray
curves), and
dehydration loci of
metamorphosed
crust (narrow green
rectangle) and
serpentinized mantle
(dashed line)
Yamasaki & Seno
2003 JGR).
1) La sismicità sul piano superiore è localizzata lungo il
piano di deidratazione tra crosta-sedimenti
2) La sismicità sul piano inferiore è localizzata dove la
serpentinite subdotta si deidrata
Doppi piani di Benioff
I doppi piani di Benioff non si riscontrano nelle zone di subducione calde: Giappone SW
Cross section through southwest Japan (Honshu), showing earthquake
hypocenters (dots), calculated temperature structure (gray curves), and
dehydration loci of metamorphosed crust (narrow green rectangle) and
serpentinized mantle (dashed line; Yamasaki & Seno 2003 JGR-B).
Caratteristiche dello slab sotto Honshu settentrionale, Giappone
Vertical slice of Vp/Vs velocity
structure beneath Honshu.
Dots are earthquake focii.
Numbered areas are interpreted
as:
(1) partial melting,
(2) serpentine,
(3) transformation of oceanic
crust to blueschist,
(4) transformation of blueschist
to eclogite,
(5) partially hydrated
harzburgite,
(6) serpentine dehydration.
Zhang et al. 2004. Geology
20
MORB Glasses
(mostly <0.5%)
Importanza dei fluidi
(acqua) per la
generazione di fusi
nelle zone di
subduzione vs. dorsali
10
0
Arc Glass Inclusions
Mean = 3.44±1.55% H2O
N=111
20
10
0
0
2
4
Weight % H2O
6
Stern, 2002 RoG