Geofyzikální ústav Akademie věd ČR, v.v.i.

Navigace:

Konvergentní okraje

Konvergentní okraje litosférických desek

Okraje litosférických desek, podle kterých se litosférické desky vůči sobě přibližují (tzv. konvergentní okraje), představují z geologického hlediska jedno z nejpozoruhodnějších přírodních prostředí na Zemi. Tektonické procesy, k nimž v tomto prostředí v důsledku rychlého vzájemného pohybu litosférických desek (až 10 cm za rok) dochází, způsobují nejsilnější světová zemětřesení (např. Chile 1960, Aljaška 1964), ničivé vlny tsunami (Sumatra-Andamany 2004) a sopečné výbuchy (Krakatau 1873, Mont Pelée 1902); důsledkem těchto procesů je mj. i tvorba rozsáhlých, světově významných rudních ložisek (Chuiquicamata v Chile). Mnoho oblastí na konvergentních okrajích desek je přitom velmi hustě osídleno (Střední Amerika, jihovýchodní Asie, Japonsko). Pozoruhodná a společensky velmi významná geodynamická aktivita konvergentních deskových okrajů je způsobena především zanořováním (subdukcí) oceánské litosférické desky pod pevninskou. Studium subdukce a s ní souvisejících procesů probíhajících na konvergentních okrajích litosférických desek proto patří k prioritním výzkumným směrům věd o Zemi (viz např. http://www.nsf-margins.org/http://www.sfb574.ifm-geomar.de/php/goto/Home/index.php, http://www.oceanexplorer.noaa.gov/).

Hlavním cílem výzkumu naší pracovní skupiny je přispět k porozumění procesům, které vedou k mimořádně intenzivní zemětřesné činnosti v oblastech subdukce a které řídí materiálový transport mezi subdukční zónou a zemským povrchem. Hlavním nástrojem, který při studiu geologické stavby litosféry a zemského pláště v oblastech konvergentních okrajů litosférických desek používáme, jsou přesné údaje o zemětřeseních, k nimž v této oblasti došlo v posledních více než čtyřiceti letech. K dispozici máme jednak rozsáhlý soubor ohniskových parametrů jednotlivých zemětřesení (prostorové souřadnice ohniska, čas vzniku zemětřesení a jeho magnitudo) mezinárodního seismologického centra ISC (Regional Catalogue of Earthquakes 1964-2005) a jednak soubor s upřesněnými ohniskovými parametry, redukovaný navíc o jevy určené s menší přesností (lze získat na vyžádání na engdahl@colorado.edu). U silných zemětřesení (zpravidla od magnituda 5 výše) bývá určován i mechanismus vzniku zemětřesení, tj. geometrie příslušných možných zlomových ploch a smysl pohybu horninových bloků podél nich. K nejspolehlivějším patří údaje o mechanismech zemětřesení, určované od r. 1976 seismologickým týmem Harvardské university - .

Zemětřesení v prostoru nejsou rozmístěna rovnoměrně. Tato nerovnoměrnost má své příčiny jednak v současné geologické stavbě oblasti, ale také v její geologické minulosti. Správná analýza příčin nerovnoměrného rozložení zemětřesení nám tedy umožňuje odhadnout, jak geologická stavba v hloubce v této oblasti vypadá, k jakým procesům zde dochází a jaký mohl být geologický vývoj oblasti. Údaje o zemětřeseních korelujeme s dostupnými informacemi vulkanologickými (zde využíváme především údajů z webovských stránek Global Volcanism Program, Smithsonian Institution, National Museum of Natural History, Washington), geologickými, geochemickými a geodetickými, publikovanými v geovědních periodikách. Regionálně se zaměřujeme na oblast Střední Ameriky, andské Jižní Ameriky, jihovýchodní Asie a souostroví Izu-Bonin-Mariana v západním Pacifiku.


K analýze hloubkového rozložení seismicity v jednotlivých výše uvedených regionech využíváme jednoduchou zobrazovací metodu – příslušná oblast je rozčleněna na pravidelné, relativně úzké pásy (šířka 50 km), orientované kolmo k rozhraní konvergujících litosférických desek. Toto rozhraní je zpravidla dobře definováno morfologicky významným hlubokomořským příkopem, pásemným pohořím (Andy) nebo vulkanickým řetězcem (Andy, Indonesie, Izu-Bonin-Mariana). Hypocentra všech zemětřesení, jejichž epicentra leží v příslušném pásu, jsou poté zobrazena ve svislém (hloubkovém) řezu. Série po sobě jdoucích hloubkových řezů nám pak přináší trojrozměrný obraz rozložení zemětřesné činnosti v měřítku, jaké počítačová obrazovka nemůže nabídnout. Metodika svislých řezů umožňuje spolehlivě definovat geometrické parametry jednotlivých strukturních prvků oblasti, projevujících se zvýšenou seismicitou. Jsou-li navíc u některých seismických jevů k dispozici údaje o zdrojovém mechanismu, je možné odhadnout i tektonickou funkci takových jednotek. Pro lepší porozumění následujícímu textu považujeme za účelné vysvětlit dva významné pojmy: Wadati-Benioffova zóna a kontinentální klín. Jako Wadati-Benioffova zóna (WBZ) se označuje ta část podsouvající se desky, ve které jsou pozorována zemětřesení (v obr. 1, 3 a 4 je vymezena modrými liniemi). Jako kontinentální klín je označována – podle geometrické podobnosti – část litosféry a pláště nad podsouvající se deskou (dobře patrná rovněž na obr. 1, 3 a 4).

Náš výzkum zákonitostí zemětřesné činnosti na konvergentních okrajích se soustřeďuje zejména (1) na vysvětlení příčin nerovnoměrného rozložení seismicity ve Wadati-Benioffově zóně subdukujících litosférických desek, (2) na vymezení a objasnění funkce rozsáhlých seismicky aktivních zlomových zón v kontinentálním klínu nad subdukující oceánskou deskou (3) na vymezení a objasnění příčin shluků silných zemětřesení pod některými vulkány a (4) na podporu představy, podle níž není proces subdukce kontinuální, ale probíhá v cyklech.

(1) Ve Wadati-Benioffově zóně subdukující oceánské desky byla ve všech výše uvedených oblastech vymezena v hloubkách 100-200 km souvislá doména, v níž se nevyskytují středně silná a silná zemětřesení, tj. zemětřesení s magnitudem mb>4.0 (obr. 1). Tuto doménu jsme označili jako tzv. aseismický „gap“ (český ekvivalent anglického slova „gap“ v seismologickém smyslu nebyl zatím zaveden; pokud bychom se o to pokusili, přeložili bychom přibližně např. jako „mezera ve výskytu zemětřesení“, popř. jako „deficit seismické aktivity v určitém prostoru“). Podle naší interpretace představuje tato doména parciálně natavenou část zanořené oceánské litosférické desky, v níž nejsou vhodné podmínky pro nahromadění napětí nutného pro vznik středně silných a silných zemětřesení. Právě v přímém nadloží aseismického gapu se nacházejí všechny v současné době aktivní alkalicko-vápenaté vulkány. Prostorový vztah těchto vulkánů a aseismického gapu ve WBZ je patrně obecným jevem a svědčí ve prospěch námi dříve zformulované koncepce zdroje primárního magmatu uvnitř subdukované desky.

V oblasti Střední Ameriky jsme ke studiu vnitřní stavby Wadati-Benioffovy zóny litosférické desky Cocos, subdukující zde pod desku karibskou, využili detailní analýzy dotřesových sekvencí několika velmi silných zemětřesení. Tato analýza prokázala, že zlomové systémy v subdukční zóně, na nichž v dnešní době dotřesové série silných zemětřesení vznikají, byly pravděpodobně vytvořeny v minulosti na počátku subdukce oceánské desky Cocos.

Špičák, A., V. Hanuš, and J. Vaněk (2004), Seismicity pattern: an indicator of source region of volcanism at convergent plate margins, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 141, 303-326.
Špičák, A., V. Hanuš, J. Vaněk, and M. Běhounková (2007), Internal tectonic structure of the Central American Wadati-Benioff zone based on analysis of aftershock sequences, J. Geophys. Res., 112, B09304, doi: 10.1029/2006JB004318.

(2) Zemětřesení, která vznikají v kontinentálním klínu v nadloží subdukce, se nevyskytují izolovaně, ale náležejí k rozsáhlým zlomovým zónám regionálních rozměrů. Uspořádání ohnisek zemětřesení v jednotlivých zlomových zónách umožňuje vymezit hlavní geometrické parametry těchto zón, tj. orientaci, šířku, úklon a hloubkový dosah. Tyto parametry ověřujeme jednak korelací s geologickými mapami, jednak pomocí údajů o mechanismu zemětřesení, z nichž lze určit i charakter pohybu podél zlomové plochy. Seismicky aktivní zlomové zóny v kontinentálním klínu někdy slouží jako přívodní kanály magmatu z hluboko uložených magmatických zdrojových oblastí k vulkánům na zemském povrchu. Často na nich dochází k mělkým zemětřesením s katastrofálními následky. Korelace prostorového rozložení seismicky aktivních zlomových zón s rozložením hypogenních ložisek nerostných surovin také ukázala, že většina velkých akumulací kovů v andské Jižní Americe a sundském ostrovním oblouku je situována právě ve výchozech seismicky aktivních zlomových zón. To ukazuje na existenci a fungování těchto zlomových zón jako přívodních drah rudonosných roztoků během značně dlouhého časového intervalu.

Hanuš, V., J. Vaněk, and A. Špičák (2000), Seismically active fracture zones and distribution of large accumulations of metals in the central part of Andean South America, Mineralium Deposita, 35, 2-20.
Hanuš, V., J. Vaněk, and A. Špičák (2001), Pattern and metallogenic consequences of deep rooted seismically active fracture zones in Sumatra and Java, Global Tectonics and Metallogeny, 7 (3-4), 215-222.
Hanuš, V., J. Vaněk, and A. Špičák (2003), Deep lithospheric structure and hypogene metallogeny at convergent plate margins, Global Tectonics and Metallogeny, 8 (1-4), 141-149.
Vaněk, J., V. Hanuš, A. Slancová, and A. Špičák (2006/2007), Seismically active fracture zones in the continental wedge above the Andean subduction zone in the Arica Elbow region, Global Tectonics and Metallogeny, 9 (1-4), 39-58.

(3) Velká koncentrace silných zemětřesení ve velmi omezeném prostoru bezprostředně pod vulkány, zasahující do překvapivě velkých hloubek (až 100 km), byla námi poprvé zjištěna pod vulkánem Krakatau v Sundské úžině, oddělující Jávu od Sumatry (obr. 3). V našich pozdějších pracích byly obdobné zemětřesné shluky zjištěny i pod několika dalšími indonéskými vulkány a pod všemi významnými aktivními vulkány Střední Ameriky. Intenzivní seismicita pod aktivními vulkány je překvapivá zejména z toho důvodu, že odporuje představě natavení větších úseků svrchního pláště v nadloží subdukce; rozsáhlejší natavení existenci silných zemětřesení totiž vylučuje. Toto zjištění je tedy v rozporu s běžně vyjadřovaným názorem, že magma, zásobující vulkány ostrovních oblouků nad subdukující oceanickou litosférou, se tvoří nad subdukčními zónami natavením pláště pevninské litosféry. Z námi zjištěné středně hluboké seismicity pod některými vulkány však vyplývá, že zemětřesení mohou vznikat v celé mocnosti nadložní kontinentální desky, což natavení horninového prostředí vylučuje.
V oblasti ostrovního oblouku Izu-Bonin-Mariana se nám podařilo identifikovat dosud nepopsanou sérii silných zemětřesení, k nimž došlo pod morfologicky výrazným, avšak zcela neprobádaným podmořským pohořím v letech 1985-1986. Naše analýza přesvědčivě dokládá, že zmíněná výrazná zemětřesná činnost je důsledkem rychlého přenosu magmatu ze subdukční zóny z hloubek 100-150 km pod zemským povrchem až těsně pod oceánské dno, popř. k vylití magmatu na dno, a upozorňuje na potencionální nebezpečí (silné erupce, tsunami), plynoucí z vulkanické aktivity podmořských sopek v odlehlých oceánských oblastech.

Špičák, A., V. Hanuš, and J. Vaněk (2002), Seismic activity around and under Krakatau volcano, Sunda Arc: constraints to the source region of island arc volcanics, Studia geophysica et geodaetica, 46, 545-565.
Špičák, A., V. Hanuš, and J. Vaněk (2005), Seismotectonic pattern and the source region of volcanism in the central part of Sunda Arc, Journal of Asian Earth Sciences, 25, 583-600.
Špičák, A., V. Hanuš, and J. Vaněk (2005), Source region of volcanism and seismicity pattern beneath Central American volcanoes, Neues Jahrbuch für Geologie und Paläontologie, 236 (1/2), 149-172.
Špičák, A., J. Vaněk, and V. Hanuš (2008), Volcanic plumbing system and seismically active column in the volcanic arc of the Izu-Bonin subduction zone, Geochem., Geophys., Geosyst., submitted.

(4) V jihovýchodní Asii jsme analýzu prostorového rozložení ohnisek zemětřesení porovnali s morfologií oceánského dna a s dostupnými výsledky geodetických pozorování družicovou metodou měření GPS. Vymezili jsme tak výrazný shluk zemětřesení, protažený podél javanského hlubokomořského příkopu a zřetelně prostorově oddělený od zemětřesné činnosti v subdukující části oceánské desky. Toto překvapivé zjištění interpretujeme jako důsledek počínajícího nového subdukčního cyklu.

Špičák, A., V. Hanuš, and J. Vaněk (2007), Earthquake occurrence along the Java trench in front of the onset of the Wadati-Benioff zone: Beginning of a new subduction cycle? Tectonics, 26, TC1005, doi: 10.1029/2005TC001867.

Výzkumem výše uvedených zákonitostí a jevů není potenciál globálních seismických dat zdaleka vyčerpán. Výše zmíněnou představu cyklického charakteru procesu subdukce hodláme uplatnit při interpretaci anomálního rozložení hlubokých zemětřesení v subdukčních zónách Mariana, Tonga-Kermadec, Indonésie a Jižní Ameriky. Pozornosti zaslouží rovněž zlomové zóny litosférického klínu v oblasti Střední Ameriky, neboť jsou nositeli většiny zdejších ničivých zemětřesení (např. Salvador, 2001).