平らなスラブの沈み込み

フラットスラブの沈み込みは、地震発生層を越えたところで沈み込み角が小さく（水平に対して 30 度未満） 、海溝から遠く離れた場所で通常の沈み込みが再開されることを特徴とする。^[1]スラブとは、沈み込む下部プレートを指す。フラットスラブの沈み込みの広義の定義には、メキシコ西部のように浅く沈み込む下部プレートが含まれる。フラットスラブの沈み込みは、アセノスフェアのピンチアウト、島弧マグマ活動の内陸への移動（マグマスイープ）、そして島弧マグマ活動の最終的な停止と関連している。^[2]フラットスラブが上部プレートに結合することで、上部プレート表面で発生する変形のスタイルが変わり、ロッキー山脈のような基盤核隆起が形成されると考えられている。^{[2] [3]}フラットスラブは、下部大陸岩石圏を水和させ^{[2] 、経済的に重要な}鉱床の形成に関与している可能性もある。^[4]沈み込みの過程で、平坦なスラブ自体が変形したり座屈したりして、スラブ上の海洋堆積物に堆積中断が生じることがあります。 ^[5]平坦なスラブの崩壊は、火砕流火山活動および島弧火山活動の逆移動に関連しています。 ^[2]平坦なスラブの原因については、厚く浮力のある海洋地殻（15～20 km）の沈み込み^[6]と、急速に乗り上げる上部プレートと海溝の吸引力の強化に伴う海溝のロールバックが複数の仮説として考えられています。^[7]南米の西海岸には、最大の平坦なスラブ沈み込み帯が 2 つあります。^[2]平坦なスラブの沈み込みは、沈み込み帯の 10% で発生しています。^[3]

このアイデアは1970年代後半に始まった。^[8] アンデス山脈の縁辺部の地震学的調査では、深さ100kmに水平に近い下部プレートの帯があることが示されているようである。コーネル大学の地球 物理学者とワシントンのカーネギー研究所の研究者の間で行われたコーネル対カーネギー論争は、地震計を局所的に設置した方が地球全体の（遠地地震）データを見るよりも良い結果が得られるかどうかに焦点が当てられた。カーネギー研究所は、遠地地震データではスラブが浅くなり水平に近い帯はないと主張していたが、局所的な設置では平坦なスラブを撮影し、勝利を収めたようであった。 ^[9]このアイデアは、アンデス山脈の縁辺部の平坦なスラブの沈み込み帯がより内側の表面変形やマグマのギャップと関連していることから、ララミデ 造山運動を説明するために取り上げられた。^[2]平坦なスラブの沈み込みは活発な研究分野であるが、その発生の原因メカニズムは解明されていない。

平らなスラブの沈み込みの開始についてはいくつかの仮説があるが、現時点では浮力のある海嶺仮説が有力視されている。^[3]

平らなスラブの沈み込みの主な原因は、無地震海嶺、海洋台地、海山などの海底高地の沈み込みであると考えられている。 ^[3]アンデスの平らなスラブの沈み込み帯であるペルースラブとパンペアン（チリ）平らなスラブは、それぞれ海底高地であるナスカ海嶺とファン・フェルナンデス海嶺の沈み込みと空間的に相関している。厚く浮力のある海洋地殻はスラブの密度を低下させ、密度コントラストの低下によりスラブは浅い深さ（約100 km）まで到達した後、マントルに沈み込むことができない。^[6]これは、すべてのスラブが約50 Ma未満であるという事実によって裏付けられている。^[10]しかし、ナスカ海嶺と同規模の非地震性海嶺が正常に沈み込んでいるケースや、平坦なスラブが海底高地に関連しないケースもある。^[11]西太平洋では、海底高地の沈み込みに関連する地域に平坦なスラブはほとんど存在しない。^[12]地球力学モデリングでは、浮力のある海洋地殻だけで平坦なスラブの沈み込みを生成できるかどうかが疑問視されている。^[10]

スラブの平坦化に関する別の説明は、上にあるプレートが沈み込むスラブと反対方向に横方向に動くことである。上にあるプレートは厚い大陸性リソスフェアのクラトンキールを備えていることが多く、それが海溝に十分近い場合、マントルウェッジの流れに影響を与える可能性がある。^[7]この原因メカニズムには海溝吸引が含まれる。海溝吸引はマントルウェッジ領域のアセノスフェアの流れによって引き起こされる。海溝吸引は沈み込み速度、マントルウェッジの厚さの減少、またはマントルウェッジの粘性の増加とともに増加する。^[13]海溝後退はプレート収束と反対方向への海溝の動きであり、より大きな沈み込み帯に沿った海溝の位置に関係していると考えられており、後退は沈み込み帯の端近くで発生する。^[14]モデル実験では、クラトン岩石圏が厚く、海溝が後退すると、マントルウェッジの停止により海溝の吸引力が高まり、スラブが平坦になることが示されています。^[7]

エクロジャイトは、海洋地殻が高圧高温のゾーンに沈み込む際に形成される、密度の高い（3.5 g/立方センチ）ガーネット含有岩石です。エクロジャイトを形成する反応により、スラブは脱水され、その上のマントルウェッジは水和されます。密度が増したスラブは、より効果的に沈み込みます。 ^[15]エクロジャイト化の遅延は、深く貫通する断層のない、より厚い海洋リソスフェアの沈み込みによって発生する可能性があります。海洋地殻は通常、沈み込むプレートの曲がりによって海溝隆起で断層を形成します。これは、平坦なスラブの沈み込みの影響または原因である可能性がありますが、影響である可能性が高いようです。平坦なスラブ部分を超えて通常傾斜の沈み込みが再開することは、エクロジャイト反応に関連しており、スラブが沈み始めるのに十分なエクロジャイトを蓄積するのに必要な時間の長さが、平坦なスラブの沈み込みの時間的スケールを制限する可能性があります。^[6]

沈み込むプレートが平坦化すると、マグマ弧の内側への移動が追跡できる。チリの平坦なスラブ地域（南緯31～32度）では、約7～5Maに、スラブの平坦化に伴い火山弧の東方移動、拡大、および段階的な閉鎖が見られた。^[16]これは、上部プレート（沈み込むプレートから100～150km上方）上の以前のマグマ弧の位置が、平坦化するスラブ上の部分溶融帯と一致しなくなったために発生する。[ ^17]マグマ弧は、平坦化するスラブ上の部分溶融帯と一致する新しい場所に移動する。ララミデ造山運動以前の火成活動は、サウスダコタ州西部まで移動した。^[2]最終的には、沈み込むプレートと上部プレートがマントルウェッジを挟み込むため、平坦なスラブ上のマグマ活動は完全に停止する可能性がある。^[2]フラットスラブが崩壊すると、マントルウェッジは再び高温のアセノスフェア（1300℃）を循環させ始める可能性があります。この地域は水分を多く含んでいますが、溶融物は生成されていません。これにより、アンデスのフラットスラブの影響を受けた地域と米国西部の両方で見られる広範囲にわたる火成岩火山活動が発生します。^[18]

アダカイトは、重希土類元素が著しく枯渇し、ストロンチウム/イットリウム比が高いデイサイト質および安山岩質の マグマであり、海洋地殻の溶融によって生成された可能性があります。^[17]アダカイトは、マグマ弧が広がり、より内陸に移動するにつれて、通常の傾斜した沈み込みから平坦な沈み込みへの移行中に噴出または配置されると考えられています。^{[17]アダカイト岩は、現代の}エクアドルで見られ、^[19]初期の平坦なスラブ地帯の可能性があり、中央チリには10-5 Maのアダカイト岩があります。^[20]したがって、アダカイト岩は、平坦なスラブの沈み込みの過去のエピソードのマーカーとして使用できます。

平坦なスラブは、海溝から陸側にある上部プレートに広く拡散した変形帯をもたらすと考えられている。^{[3]平坦なスラブの沈み込みは、南米の}シエラ・パンペアナス山脈のような上部プレートの「厚い皮」変形としても知られる基盤核隆起と関連しており、おそらくファン・フェルナンデス海嶺の沈み込みと関連している。^[21]これらの基盤核隆起領域は、平坦なスラブ沈み込み帯と視覚的に相関している。^[16]対照的に、「薄い皮」変形は上部プレートの変形の通常のモードであり、基盤岩は関与しない。地殻短縮は、通常傾斜する沈み込み帯よりも内陸にまで及ぶことが観察されている。シエラ・パンペアナス山脈は、海溝軸から650 km以上東にある。^[21] 平坦なスラブは、ララミデ造山運動^[18]と中央アルティプラノ-プーナ地域^[22]の説明として使われてきました。ナスカ海嶺の平坦なスラブの沈み込みに関連する可能性のあるもう1つの興味深い特徴は、アマゾン盆地にあるフィッツカラルドアーチです。フィッツカラルドアーチは、ペルー東部からブラジル西部まで、亜バンデアン断層前面を越えて変形していない地域まで伸び、海抜約600メートルまで上昇する長波長の線状地形です。^{[23]フィッツカラルドアーチは、アマゾン盆地を北部アマゾン}前地盆地、南部アマゾン前地盆地、東部アマゾン前地盆地の3つのサブ盆地に分割する効果があります。^{[24] [25]}

平坦なスラブの形状は、沈み込むスラブ内の地震と、上部プレートと沈み込むスラブの境界面によって制約される。 ^[16]アンデス山脈の縁に沿った平坦なスラブ地帯は、隣接するより急傾斜の沈み込み帯よりも、上部プレートの地震によって3～5倍のエネルギーを放出する。^[3]上部プレートの地震の発震機構は、応力がプレートの動きと平行に整列し、応力が下部プレートから上部プレートの高いところまで伝達されることを示している。^[26]この地震活動の増加の理由は、上部プレートと下部プレートのより効果的な結合である。通常の沈み込み帯では、2つのプレート間の結合境界面、つまり2つのプレートが近接している領域の長さは約100～200 kmであるが、平坦なスラブ沈み込み帯では結合境界面は400～500 kmとはるかに長くなる。^[26]上部の下部リソスフェアは塑性変形するが、数値モデルでは応力が脆性的に挙動する地殻領域に伝達されることが示されている。^[27]沈み込むプレートに沿って地震活動はより変動しやすく、特に中深発地震は顕著である。変動性は地殻の厚さと地殻が水をいかに効率的に放出できるかによって左右される可能性がある。海溝隆起正断層によって深く破壊されていない厚い地殻は、中深発地震を引き起こすほど急速に脱水しない可能性がある。^[1]ペルーの平坦なスラブには顕著な中深発地震がなく、厚さ約17kmのナスカ海嶺の沈み込みと関連している。^[1]

1970年代後半の初期の研究では、南米のアンデス山脈の縁に沿った2つの大きな平坦なスラブ沈み込み帯の独特な性質が認識されました。^{[28] [29]アンデス山脈の縁には、ペルー、}パンペアン、ブカラマンガの2つの大きな平坦なスラブ沈み込みセグメントと1つの小さな平坦なスラブ沈み込みセグメントが現在存在しています。また、アルティプラノ、プーナ、パエニアの3つの新生代の平坦なスラブセグメントも知られています。

ペルー平坦スラブはグアヤキル湾（南緯 5 度）とアレキパ湾（南緯 14 度）の間に位置し、沈み込み帯の走向に沿って約 1,500 km 伸びている。ペルー平坦スラブは世界最大で^[3]、海溝軸から約 700 km 内側に伸びている。沈み込むプレートは 30 度の傾斜から始まり、東部コルディリェラおよびサブアンデス帯の下で深さ 100 km で平坦になる。^{[30]このセグメントは、地殻が厚くなった非地震性の海嶺であるナスカ海嶺の沈み込みと視覚的に相関している。}アンデス山脈で 2 番目に高い地帯であるコルディリェラ・ブランカは、ペルー平坦スラブセグメントおよび基盤岩の隆起と関連している。この地域の火山活動は後期中新世（1100 万～500 万年前）に終息した。プレートの再構築により、ナスカ海嶺が沈み込み帯に衝突したのは11.2 Ma、南緯11度であることから、ペルーの平坦なプレートの北限には海洋台地のような他の沈み込み地形が必要である可能性が示唆されている。推定上の沈み込み台地、インカ台地が議論されてきた。^[31]

パンペアンまたはチリの平坦なスラブ部分は、南緯 27 度から南緯 33 度の間に位置し、沈み込み帯の走向に沿って約 550 km 伸びています。パンペアンの平坦なスラブも同様に、海溝軸から内側に約 700 km 伸びています。この部分は、ファン フェルナンデス海嶺、およびアンデス山脈の最高峰である非火山性のアコンカグア (6,961 m) と視覚的に相関しています。この地域は、同じ「厚い表皮」の変形を受けており、高い山の頂上につながっています。

ブカラマンガセグメントは、80年代初頭に限られた地震学的証拠から認識されました。^{[32]このセグメントは}コロンビアの北緯6度から9度の間に含まれ、沈み込み帯の走向に沿って約350kmにわたって伸びています。

他にも言及に値する平らなスラブセグメントがいくつかあります: ^[3]

• アラスカ:ヤクタットマイクロプレートに関連するアリューシャン海溝沿いの西経145～150度
• コスタリカ:ココス海嶺に関連する西経82～84度
• メキシコ:テンワンテペック海嶺に関連する西経96～100度
• カスケード山脈、アメリカ合衆国：北緯46～49度、若い海洋地殻の沈み込みと関連

厚い海洋地殻の沈み込みは、銅や金の鉱床の鉱床生成と関連している可能性がある。 ^[4]南米の10の最大の若い（18 Ma未満）金鉱床は、平坦なスラブセグメントに関連している。^{[4]強化された鉱床生成は、弧のマグマ活動の停止によって}硫黄に富む揮発性物質が保存されたことによって引き起こされた可能性がある。 ^{[4]北アメリカ西部の推定上の平坦なスラブの崩壊は、}カーリン型金鉱床の生成に不可欠であった可能性がある。^[33]

初期の地球のマントルはより高温であり、平坦なスラブの沈み込みが支配的な様式であったと提案されている。^[34]コンピューターモデリングでは、海洋地殻の生成増加に伴う海洋プレートの浮力の増加は、マントルの粘性の低下によって相殺されたため、平坦なスラブの沈み込みは支配的ではなかったか、存在しなかったことが示されています。^[10]