ПЕТРОЛОГИЯ, 2014, том 22, № 1, с. 21-49
УДК 550.36
ПЕТРОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ ЛИТОСФЕРНОЙ МАНТИИ СИБИРСКОГО КРАТОНА
© 2014 г. О. Л. Кусков*, В. А. Кронрод*, А. А. Прокофьев*, Н. И. Павленкова**
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН ул. Косыгина, 19, Москва, 119991, Россия: e-mail: ol_kuskov@mail.ru **Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН ул. Б. Грузинская, 10, Москва, 123995, Россия Поступила в редакцию 18.10.2012 г.
Получена после доработки 20.02.2013 г.
На основании совместной инверсии уникальных сверхдлинных профилей Кратон, Кимберлит, Метеорит и Рифт, отработанных c мирными ядерными и химическими взрывами, и петролого-геохи-мических данных по составу ксенолитов гранатовых перидотитов и фертильного вещества примитивной мантии впервые проведена реконструкция термального состояния и плотности литосфер-ной мантии Сибирского кратона на глубинах 100—300 км с учетом эффектов фазовых превращений, ангармонизма и неупругости. Для верхней мантии Сибири характерны существенные неоднородности сейсмических скоростей, рельефа сейсмических границ, степени расслоенности, распределения температуры и плотности. Картирование современного термального состояния мантии по ла-терали и вертикали показывает, что на глубинах 100—200 км температура в центральной части кратона несколько ниже, чем на его периферии, и на 300—400°С ниже средней температуры окружающей кратон более молодой в тектоническом отношении мантии. Выведенные из сейсмических моделей температурные профили лежат между кондуктивными геотермами 32.5—35 мВт/м2; мантийный тепловой поток равен 11—17 мВт/м2. Глубина залегания термической литосферы (термального погранслоя) кратона близка к изотерме 1450 ± 100°С и составляет 300 ± 30 км, что согласуется с имеющимися в литературе данными по тепловым потокам, термобарометрии и сейсмото-мографии. Показано, что распределение плотности в мантии Сибирского кратона невозможно описать каким-либо одним однородным составом как обедненным, так и обогащенным. Плотностные неоднородности мантии должны быть связаны не только с тепловыми аномалиями, но также и с изменением химического состава по глубине. Это подразумевает заметную фертилизацию вещества на глубинах ниже 180—200 км и допускает стратификацию литосферной мантии кратона по химическому составу. В зоне перехода от литосферы к астеносфере вещество корня кратона по химическому составу, тепловому режиму и плотности мало отличается от подстилающей астеносферы. Показано, что выявление тонких различий в химическом составе мантии кратона так же, как и локализация химической (петрологической) границы и границы литосфера—астеносфера, только лишь на основе интерпретации сейсмических скоростных моделей не представляется возможным.
Б01: 10.7868/80869590314010051
ВВЕДЕНИЕ
Сейсмические, геотермические и петролого-геохимические данные указывают на структурную, температурную и вещественную неоднородность литосферной мантии (ЛМ) древних крато-нов, связанную с условиями формирования и геологической эволюции кратонов вообще, и Сибирского кратона (СК) в частности. Однако петролого-геохимические и геофизические модели не всегда равнозначны и часто взаимно не согласованы. Первые, основанные на определениях состава мантии по ксенолитам, Р-Т равновесиям и фазовым диаграммам минеральных систем, не отражают специфику ее современного термального состояния и сейсмо-плотностного строения. Вторые — методы геотермии, томографии, сейсмологии, региональной сейсмики и гравитационного
моделирования не объясняют вещественную природу мантии, не отражают специфику состава и не выявляют химическую природу неоднородности литосферной и астеносферной мантии. Кроме того, эти модели и методы не позволяют выявить распределения температуры и плотности и понять особенности динамики Земли.
На дискуссионный характер рассматриваемых нами проблем указывает множество публикаций (Соболев, 1974; Jordan, 1978; F^hs, 1997; Griffin et al., 2003; Artemieva, 2009; Pearson, Wittig, 2008; Poudjom Djomani et al., 2001; Грачев, Кабан, 2006; Розен и др., 2006; Богатиков и др., 2010; Добре-цов, 2010). Синтез геофизических и петролого-геохимических моделей с привлечением всех имеющихся данных (сейсмических наблюдений, измерений теплового потока, физики и термоди-
намики минералов, термобарометрии) обладает преимуществом, позволяющим связать химическую (минеральную) природу литосферной мантии с ее физическими характеристиками и выявить физико-химическую эволюцию вещества при изменении геодинамической обстановки.
Строение Сибирского кратона изучалось по уникальным сверхдлинным сейсмическим профилям Кратон, Кимберлит, Метеорит и Рифт, отработанным Центром ГЕОН МинГео CCCP посредством ядерных и химических взрывов. Обработка и интерпретация материалов позволила определить особенности сейсмического строения коры и верхней мантии Сибирского кратона (Егоркин, 1999, 2001, 2004; Fuchs, 1997; Oreshin etal., 2002; Pavlenkova, 2011; Павленкова, 2006, 2011; Суворов и др., 2010). Исследование ксенолитов в алмазсодержащих кимберлитах дает дополнительную информацию по составу литосферной мантии Сибири (Соболев, 1974; Соловьева и др., 1994; Ashchepkov et al., 2010; Ionov etal., 2010).
Представления о происхождении древних кра-тонов пока что во многом гипотетичны (Arndt et al., 2009; Pearson, Wittig, 2008; Розен и др., 2006). Изучение Сибирского кратона методом преломленных и отраженных продольных волн, петро-лого-геохимическое исследование и измерение теплового потока дают уникальную возможность реконструкции термального режима, химического состава и физического состояния литосферной мантии. В связи с этим возникают вопросы. Какое распределение температуры (тепловые корни континентов) и какие петрологические модели будут соответствовать глобальным томографическим моделям и региональным сейсмическим данным? В настоящей работе мы попытаемся показать, что полученные профили термального состояния являются тем инструментом, который позволит ответить на некоторые из них.
Температура земных недр остается a priori неизвестной и является одним из наиболее дискуссионных и неопределенных физических параметров. Способов решения задачи установить зависимость распределения температуры в мантии пока не существует. Термические модели, основанные на измерении поверхностного теплового потока и решении стационарной тепловой задачи, показывают заметные расхождения в оценках распределения температуры с глубиной (Artemieva, Mooney, 2001; Кронрод, Кусков, 2006, 2007). Это связано с тем, что распределение температуры и местонахождение источников тепла в мантии, а также механизмы его переноса точно не установлены. Одним из наиболее популярных методов оценки термального состояния литосфер-ной мантии является определение температуры и давления минеральных равновесий в ксенолитах, для расчета которых используются различные твердофазовые термометры и барометры (Глебо-
вицкий и др., 2001; Ashchepkov et al., 2010). С помощью методов термобарометрии восстанавливается температурный профиль (палеогеотерма), отвечающий глубине (обычно до ~200 км) выноса ксенолитов на поверхность или последнему тек-тономагматическому событию.
В мантии существуют фазовые и химические границы, разделяющие слои с разной плотностью и неразрывно связанные с геодинамикой Земли. Изменение плотности зависит от вариаций химического и минерального состава пород, давления и температуры. Рассмотрению этой задачи посвящено много работ, но однозначного решения до настоящего времени нет. На качественном уровне обычно применяют уравнения связи между скоростью упругих волн и плотностью породы или уравнение Адамса—Вильямсона, которое получено для непрерывного изменения плотности с глубиной в предположении адиабатического характера распределения температуры в недрах Земли (Калинин, 1972; Бурмин, 2006), т.е. без каких-либо фазовых превращений. Это уравнение справедливо для конвектирующей мантии, но не применимо для литосферной мантии с присущими ей вещественными неоднородностями, а теплопере-нос осуществляется в основном по кондуктивно-му механизму.
Поскольку скорости волн более чувствительны к температуре, нежели к составу (Cammarano et al., 2003; Goes et al., 2000; Kuskov et al., 2006), то сейсмические исследования, представляют наиболее перспективный (хотя и косвенный) путь для оценки термального режима мантии. Зависимость распределения температуры от глубины может быть найдена обращением (инверсией) сейсмических скоростных разрезов посредством численного решения обратной задачи. Решение задачи заключается в восстановлении некоторого набора модельных параметров, например температуры и/или химического состава по геотермическим, сейсмическим, гравитационным, электромагнитным и геодезическим данным. Такие задачи представляют особый интерес для реконструкции состава и теплового режима Земли, Луны и других планетарных тел (Cammarano et al., 2003; Кусков и др., 2009; Khan et al., 2011).
Цель работы заключается в построении двухмерных моделей и картировании сейсмической, термической и плотностной структуры мантии Сибирского кратона на глубинах 100—300 км методом обращения сверхдлинных профилей Кра-тон, Кимберлит, Рифт и Метеорит с учетом пет-ролого-геохимических данных по составу ксенолитов гранатовых перидотитов и фертильного вещества примитивной мантии. Основные задачи состоят в том, чтобы: (1) построить скоростные разрезы; (2) определить современное термальное состояние мантии и распределение плотности, согласованное с тепловым режимом; (3) на основании сейсмических, термических и плотностных
моделей получить дополнительные петролого-геофизические ограничения на состав и строение мантии.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД: ПРОЦЕДУРА, МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ, ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Плотность, сейсмическая скорость, природа мантийных границ и мощность слоев в мантии — это величины, зависимые от температуры, давления, химического и модального состава пород и определяющиеся законами термодинамического равновесия. С термодинамической точки зрения, минеральный состав, тепловой режим и фи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.